JP2004333498A - ２次元絶対位置検出装置及び２次元絶対位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 相対的に小さい読取ヘッドサイズを有する２次元光学式絶対位置エンコーダを提供する。
【解決手段】 ２次元統合絶対スケール４００は、スケールの各測定軸１１１,１１２に沿って２次元スケール領域にわたって延在する統合２次元絶対スケールパターンを含む。統合２次元絶対スケールパターンは、各軸１１１,１１２に沿って複数のコード部４３０と共に繰り返し交互配置された所定の準ランダムパターン４１２を含む。各コード部４３０は、絶対測定値を指示する複数のコード要素４３２を含む。装置の読取ヘッドに対する準ランダムパターンのオフセットは、相対的に大きい２次元範囲にわたり絶対位置を極めて高分解能まで決定するために絶対測定値と結合される。
【選択図】 図８

Description

本発明は、２次元上の絶対位置を検出する絶対位置光学式変位検出装置に関する。

絶対位置エンコーダは、スケールに沿って与えられた開始点のいかなる参照も要さずにスケールに対する読取ヘッドの相対位置を決定可能にするスケール構造を使用する。１次元スケールに沿って平行に延びている複数の情報パターンを使用する、さまざまな１次元（１Ｄ）絶対位置エンコーダが知られている。また、１次元および２次元（２Ｄ）コードが、１次元スケールに沿った位置を識別するために使用されてきた。しかし、基本的に１次元であるそのような絶対位置エンコーダの構造は、一般に、２次元平面における任意の位置の高分解能かつ高精度の絶対位置測定について、適応できないかまたは組合せることができない。

２次元平面上の任意の位置での高分解能かつ高精度をもたらす２次元（２Ｄ）インクリメンタル（非絶対）位置エンコーダが、マスレリエ（Masreliez）の特許文献１に開示されている。しかし、この特許文献１に開示された格子スケールおよび読取ヘッドは、絶対位置測定について適応できない。

多数の２次元バーコードシステムが知られている。しかし、そのような２次元バーコードシステムの「情報記憶」構造は一般に、高分解能絶対位置決定のための２次元スケールとして機能するのには好適でない。さらに、そのようなコードを連続的な２次元スケールに配列し、隣り合うコードを確実に区別する方法が明確ではない。

米国特許第５１０４２２５号明細書

位置測定システム用の２次元絶対スケールパターンは、スケール部材の２次元表面上に保持された２次元パターンである。発明人らは、１次元絶対位置測定システムおよび２次元格子インクリメンタル測定システムが、高分解能２次元絶対測定システムとしての使用に適応することが一般に困難か、高費用かまたは不可能であると判断した。さらに、種々の２次元バーコード構成のパターンは一般に、高分解能絶対位置決定のための２次元スケールのパターンとして機能するために好適ではない。

連続的な２次元スケールを形成するために、そのようなバーコードパターンが２次元パターンで互いに隣り合って配列された場合、種々の個別パターン間の区別は、さらなる信号処理の複雑化を招くと共に高分解能および高速度の両方を満たした状態でそのようなパターンの位置決定をすることの困難さをさらに増大させる。さらに、拡張された２次元領域にわたりその領域内で一意的なそうしたパターンを生成すること、と同時に、正確で高分解能の絶対測定スケールを提供するためにそれらのパターンを高精度で位置合わせすることは、技術的に困難かつ／または高費用である。

そのようなパターンの空間分解能および／または分布を低減することによって上述の問題を回避しようとする試みは、一般に、高分解能でのそれらのパターンの位置決定能力（それらは位置測定スケールに存在する空間周波数または「情報密度」、すなわち「遷移の密度」に一般に依存する）を低下させる。代替的に、パターンの複雑さを低減することによって上述の問題を回避しようとする試みは一般に、至る所で一意的に識別され得る領域の量を低減することになる。すなわち、２次元絶対スケールの可能性のある範囲が縮小する。

これらの不利益のいずれか１つ以上でも回避できるような光学式絶対位置エンコーダは、有用であろう。一般に、高い分解能および正確さを伴いかつ合理的な費用で長い範囲にわたり高速な位置測定をできる２次元絶対位置測定システムに提供される２次元絶対スケールパターンの特別な配列は、評価されなければならない。

本発明は、相対的に小さい読取ヘッドサイズを有する２次元光学式絶対位置エンコーダを提供する。

本発明は別に、コード部および準ランダムパターン部の両方を含む統合スケールを有する、光学式絶対位置エンコーダで使用可能な２次元スケールを提供する。

本発明はさらに、準ランダムパターン部およびコード部の両方を有利な割合で統合している２次元スケールパターンを有する２次元光学式絶対位置エンコーダを提供する。

本発明は別に、２つの次元の各々に沿った長いスケール長および高分解能の両方を有する２次元光学式絶対位置エンコーダを提供する。

本発明はさらに、２つの次元の各々に沿った長いスケール長を可能にするコード部および、読取ヘッドとスケールとの間で高分解能の位置決定を可能にする準ランダムパターン部を含む２次元統合スケールを使用することにより長いスケール長および高分解能を得る２次元光学式絶対位置エンコーダを提供する。

本発明はさらに、コード部および準ランダムパターン部が２次元スケールの２つの次元の各々に沿って交互に生じる２次元統合スケールを提供する。

本発明は加えて、スケールの２つの次元の各々に沿って交互に生じるコード部および準ランダムパターン部が２つの次元の両方において互いに隣り合っている２次元スケールを提供する。

本発明は別に、コード部および準ランダムパターン部の両方を含む２次元統合スケールの画像から、光学式絶対位置エンコーダの２次元スケールに対する２次元での光学式絶対位置エンコーダの読取ヘッドの絶対位置を決定するためのシステムおよび方法を提供する。

本発明はさらに、２次元スケールの２次元画像の内部に現れるコード部を位置決定し、位置決定されたコード部に現れるコードに基づき各次元に沿って第１分解能２次元位置を決定することによって、各次元に沿った２次元スケールに対する読取ヘッドの絶対位置を決定するためのシステムおよび方法を提供する。

本発明は別に、２次元スケールの２次元画像の内部に現れる所定部分を位置決定し、２次元スケールの２次元画像の内部の所定部分の２次元ロケーションに基づいて各次元に沿って第２分解能の位置を決定することによって各次元に沿った２次元スケールに対する読取ヘッドの絶対位置を決定するためのシステムおよび方法を提供する。

本発明は別に、準ランダムパターン部の内部に現れる準ランダムパターンと準ランダムパターンに匹敵する参照構造との間の各次元に沿ったオフセット距離を決定し、決定されたオフセット距離に基づいて各次元に沿った第３分解能位置を決定することによって、各次元に沿った２次元スケールに対する読取ヘッドの絶対位置を決定するためのシステムおよび方法を提供する。

本発明に従ったスケールの種々の例示的実施形態において、スケールは、２次元で延在する２次元統合スケールパターンを含む。統合スケールパターンは、２つの次元の各々で延在する複数の準ランダムパターン部を含む。統合スケールパターンはまた、準ランダムパターン部の内部および／またはそれらの間で２次元で分布されているコード部を含む。各コード部は、コード要素の一意の集合または群を含んでおり、従ってスケール内部で特定の２次元ロケーションを識別する。すなわち、コード要素の個々の一意の集合または群は、２つの次元の第１のものに沿って第１のロケーションを、２つの次元の第２のものに沿って第２のロケーションを規定する。

種々の例示的実施形態において、個々のコード部は、２つの次元の各々に沿った広がりを有する所定部分を含む。各次元において、所定部分は、所定の特性を有する単一の要素または間隔であるか、または要素の所定のパターンであり得る。この所定部分は、スケールのコード部から生じる読取ヘッド信号を、スケールの他の部分から生じる読取ヘッド信号と迅速に位置決定および／または区別できるようにする。

種々の例示的実施形態において、個々の準ランダムパターン部は、ランダムに分布されている公称上ランダムなフィーチャーを含み、２つの次元の各々に沿って広がりを有する、スペックルパターンなどに類似した、準ランダムパターンを含む。本発明に従った種々の例示的実施形態において、準ランダムパターンは、個々の準ランダムパターン部において、実質的に同一であり、すなわち繰り返されている。準ランダムパターンは、読取ヘッドと２次元スケールとの間のオフセット位置を決定する際に使用可能である。

本発明に従った種々の例示的実施形態において、２つの次元のうちの少なくとも一方について、コード要素の１集合は、その次元に沿った読取ヘッドの検出器アレイの広がりおよび、読取ヘッドによってスケール画像に適用されるその次元に沿った倍率に基づき、既定の限界まで、コード要素の隣り合う集合からその次元に沿って離間され得る。

種々の例示的実施形態において、コード要素の各集合は事実上、粗放に離間された２次元絶対位置値を付与するために局所基準フィーチャーの各次元に沿った位置または測定値を指示する。本発明に従った種々の例示的実施形態において、読取ヘッドの検出器アレイはさらに、検出器アレイに対する局所基準フィーチャーの２つの次元の各々に沿った位置をより高い分解能まで決定する。

本発明に従った２次元絶対スケールの種々の例示的実施形態において、コード要素の集合は、２次元スケールにわたって延在するコードワードの２次元シーケンスを形成する。本発明に従った種々の例示的実施形態において、コードワードのシーケンスは、スケール内部の対応する２次元位置を直接指示する。本発明に従った種々の他の例示的実施形態において、コードワードは、ルックアップテーブルまたは他の復号装置もしくは技法を用いて２つの次元の各々に沿った絶対位置測定値に変換される。

本発明の上記および他の特徴および利益は、本発明に従ったシステムおよび方法の種々の例示的実施形態の以下の詳細な説明において記載され、またはそれらから明白となる。

本発明のシステムおよび方法の種々の例示的実施形態を以下の各図に関して詳述する。図１は、２次元絶対位置測定をするために、本発明に従った２次元統合スケールパターンを使用可能な２次元光学式絶対位置エンコーダ１００のブロック図である。図１に図示された２次元光学式絶対位置エンコーダ１００は、読取ヘッド１２６、信号生成・処理回路２００および２次元スケール１１０を含む。２次元スケール１１０は、２次元統合スケールパターン３００を備える。図１において、読取ヘッド１２６の構成要素および、それらの２次元スケール１１０および２次元統合スケールパターン３００に対する関係は、以下でさらに述べるように、例示的な物理構成に概ね対応するレイアウトにより図式的に示される。

詳細には、スケール１１０は、読取ヘッド１２６の照明・受光端のとなりに配置されており、結果的に、光源１３０により読取ヘッド１２６のその端から放射された光によって２次元スケール１１０が照明された時に、放射光が、２次元スケール１１０の２次元統合スケールパターン３００によって選択的に反射されて、読取ヘッド１２６の当該端に配置された受像光学素子に向けて戻るようになっている。２次元スケール１１０は、光源１３０および、読取ヘッド１２６に収容された光学系から概ね安定した距離に配置されている。２次元スケール１１０は、図１に図示された通り、第１の測定軸１１１および第２の測定軸方向１１２に沿ってといったように、相対運動の２軸に沿って、読取ヘッド１２６に対して相対移動する。

第１,第２の測定軸１１１,１１２に対して直角の第３の次元での相対運動は、読取ヘッド１２６とスケール１１０と間に適正な相対距離または間隙を維持するために、例えばフレームに取付けられた従来の案内装置または軸受（図示せず）によるなどして、一般に制約される。読取ヘッド１２６は、読取ヘッド１２６を取付ける際に助けとなる位置合わせ機能（図示せず）を備えることができ、取付フレームおよび／または２次元スケール１１０の相対運動の予想される軸１１１および１１２に対して、読取ヘッド１２６の内部構成要素を位置合わせさせる。

２次元スケール１１０は、光源１３０によって供給された波長の光で照明されると、相対的にハイコントラストな２次元画像を供給するはずである。種々の例示的実施形態において、２次元スケール１１０は、拡散反射表面を有する一般に相対的に反射性の部材である。拡散反射表面上に相対的に非反射性のスケール要素の２次元パターンが形成されている。種々の例示的実施形態において、相対的に非反射性のスケール要素のパターンは、準ランダムパターンを形成し、それはスペックルパターンに類似であり得る。２次元スケール１１０の相対的に高い反射率は、周知であるかまたは今後開発される材料および／または構造によって得られることを理解しなければならない。例えば、２次元スケール１１０は、適切な拡散反射表面テクスチャーを有することができ、金属もしくはガラス、またはマイラー（Mylar）といったポリマーなどといった相対的に反射性の材料で作ることができる。相対的に非反射性のスケール要素は、２次元スケール１１０の表面をコーティングしたり、２次元スケール１１０を形成するために使用される材料の反射率を低減するために２次元スケール１１０の表面を差別的に処理したり、２次元スケール１１０の表面に相対的に非反射性の材料などを選択的に堆積したり、することによって形成され得る。

種々の他の例示的実施形態において、２次元スケール１１０は相対的に無反射性の材料で製作されるが、２次元スケール要素は適切な拡散反射表面テクスチャーを有する相対的に反射性の材料で製作される。この場合、２次元スケール１１０は、それが形成される材料に基づいたり、２次元スケール１１０の表面をコーティングするかもしくは別様に処理したり、または２次元スケール１１０に沿った適切なロケーションにおける反射率を選択的に低下および／または増大させるためのいずれかの他の周知であるかまたは今後開発されるプロセスを用いたりして、相対的に無反射性にすることができることを理解しなければならない。

種々の実施形態において、２次元スケール１１０は多少とも鏡面部分を有し得ることを理解しなければならない。しかし、そのようなスケールの場合、画像のコントラストおよび／または強度は、位置合わせの変動および／またはスケールの表面汚染に対してより強い感受性を示すことになる。それらは、２次元絶対測定システム１００の頑強性および測定精度を低減させ得る。また、種々の他の例示的実施形態において、２次元スケール１１０および／または２次元スケール１１０に形成される表面要素は、光検出器１６０によって検出された２次元スケール１１０の画像において２次元スケール要素と２次元スケール１１０の残部との間のコントラストを増強する色を含み得ることも理解しなければならない。

図１に示すように、読取ヘッド１２６の受像光学素子は、レンズ１４０の光軸１４４が２次元スケール１１０の照明された領域と概ね位置合わせされるように、読取ヘッドアセンブリ１０６の照明・受光端に配置されたレンズ１４０を含む。図１に図示された例示的実施形態において、読取ヘッド１２６は、図１に図示されたように、レンズ１４０の焦点距離ｆに一致する距離だけ光軸１４４に沿ってレンズ１４０から離間されたピンホールアパーチャプレート１５０および、光軸１４４に沿ってアパーチャプレート１５０から離間された光検出器１６０をさらに含む。そのようなテレセントリックな構成により、光検出器１６０の２次元統合スケールパターン３００の画像の倍率は、レンズ１４０から２次元統合スケールパターン３００までの物体距離ｇに対してほぼ独立となる。種々の実施形態において、物体距離ｇが、例えば精密な軸受などによるなどして、十分に良好に制御される場合、アパーチャプレート１５０は省略することができる。

光検出器１６０は、カメラ、電子式またはディジタルカメラ、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳ光検出素子のアレイなどといったような、独立な個別の光検出素子によって２次元アレイに構成され得るあらゆる周知であるかまたは今後開発される形式の光検出材料または装置である。レンズ１４０、アパーチャプレート１５０および光検出器１６０を含む読取ヘッド１２６と、２次元スケール１１０の例示的な間隔および位置決めは以下でさらに説明する。

読取ヘッド１２６のハウジングにおける光源１３０、レンズ１４０、アパーチャプレート１５０および光検出器１６０の取付けは、構成要素が相対的に精確かつ安定した態様で取付けられる限り、小型光学システムの組立および／または産業カメラの組立の従来方法に従って行うことができる。読取ヘッド１２６がスケール１１０に隣り合って適切に配置されると、光検出器１６０によってキャプチャされた各画像は、２次元統合スケールパターン３００の２次元部分を含むはずである。

光検出器１６０は、既知の間隔で２つの測定軸１１１および１１２の各々にそれぞれ対応する２方向に沿って離間された画像素子１６２の２次元アレイ１６６を有する。この既知の間隔は、２つの測定軸１１１および１１２に対応する２方向について同じとし得るかまたは、２方向の各々について異なってもよい。測定軸１１１および１１２にそれぞれ対応する２方向の各々に沿った既知の間隔は、光検出器１６０に投射される画像と、得られた画像に概ね対応する参照画像との間で、その測定軸１１１または１１２に沿った変位またはオフセットを測定するための基礎を与える。それゆえまた、各測定軸１１１および１１２に沿った方向の既知の間隔は、その測定軸１１１または１１２に沿った既知の間隔と同じほど精細かまたはより精細な分解能まで、２次元統合スケールパターン３００の画像の変位を各測定軸１１１および１１２に沿って測定するための基礎も与える。以下の検討では、便宜上、測定軸１１１をＸ軸として称することもあり、測定軸１１２をＹ軸として称することもある。Ｘ軸およびＹ軸はスケール位置合わせおよび相互に関して定義され、空間における２次元光学式絶対位置エンコーダ１００のいずれかの特定の向きを含意する意図はないことが理解されるはずである。

種々の例示的実施形態において、光検出器１６０の画像素子１６２は直交行列に配列され、行は得られた画像における測定軸のうちの一方に対応する方向に位置合わせされており、列は得られた画像における測定軸の他方のものに対応する方向に位置合わせされていることを理解しなければならない。しかし、より一般的には、種々の他の実施形態において、光検出器１６０の画像素子１６２は、測定軸１１１および１１２にそれぞれ対応する２方向の各々に沿った画像素子１６２の既知の間隔が依然決定され得る限り、得られた画像における測定軸と位置合わせされている直交行列に配列されないことを理解しなければならない。そのような場合、それぞれの測定軸に対応する方向に沿った既知の間隔はやはり、光検出器１６０に投射された２つの類似の画像間または、光検出器１６０に投射された画像と得られた画像に概ね対応する合成画像との間のその測定軸に沿った変位またはオフセットを測定するための基礎を与える。

加えて、種々の例示的実施形態において、読取ヘッド１２６は信号生成・処理回路２００の少なくとも一部を含む。図１に図示されたように、信号生成・処理回路２００からの信号線１３２が、光源１３０を制御および／または駆動するために光源１３０に接続されている。信号線１６４が光検出器１６０と信号生成処理回路２００を接続している。詳細には、アレイ１６６の画像素子１６２の各々は、当該画像素子１６２における光強度を表す値を出力するために、信号生成・処理回路２００への信号線１６４によって個別にアドレスされ得る。信号生成・処理回路２００の付加的部分は読取ヘッド１２６から遠隔に配置することができ、読取ヘッド１２６の機能は遠隔で操作および表示され得る。信号生成・処理回路２００は図１７に関して以下でさらに詳述する。

図１に図示された通り、光ビーム１３４が光源１３０から放射され、２次元統合スケールパターン３００の一部を照明するために、２次元スケール１１０によって保持された２次元統合スケールパターン３００上へ方向づけられる。その結果、２次元統合スケールパターン３００の照明された部分は、２次元統合スケールパターン３００の照明された部分で生じる２次元統合スケールパターン３００の要素に依存して、光軸１４４のあたりで光１３６を選択的に反射する。

光ビーム１３４の照明角度が傾斜している場合、入射光ビーム１３４と光軸１４４との間の角度は、２次元スケール１１０の相対的鏡面が、読取ヘッド１２６によって検出される領域から離れた相対的鏡面上の入射光を反射するようなものとなり得る。その場合、種々の例示的実施形態において、検出画像を相対的に高い強度にするように意図された２次元スケール１１０の部分が相対的に拡散性にされる場合、照明を受ける相対的拡散表面部分を設けることが有用である。種々の例示的実施形態において、拡散表面部分は、それらの表面仕上げまたは材料特性によって相対的に拡散性になり得るか、またはそれらは、拡散コーティングまたは表面テクスチャリングなどの適用によって相対的に拡散性にされ得る。これらの拡散表面部分は、それらの拡散性により、斜めに受光した光の少なくとも一部を光軸１４４に沿って方向づけし直す。この場合、拡散表面部分は、それらが相対的に拡散性にされていない場合よりも、より明るくなるか、かつ／または、より大きい画像コントラストを付与する傾向があるはずである。

１つの例示的実施形態において、拡散表面部分はスケール要素である。そうしたいくつかの例示的実施形態において、スケール要素を囲んでいる領域は鏡面反射する。他の例示的実施形態において、拡散部分は、相対的に暗いかつ／または鏡面反射スケール要素を囲んでいる領域に位置づけられる。種々の例示的実施形態において、２次元スケール要素は一般に、２次元スケール１１０の正面または背面のどちらか一方に相対的に薄い層によって形成され得る。

図２および３はそれぞれ、図１に図示された２次元光学式位置変換器の１つの例示的実施形態の端面図および側面図である。図２および３に図示された通り、この例示的実施形態において、光源１３０は発光ダイオードである。光源１３０からの光ビーム１３４は、２次元スケール１１０によって反射される。反射された光ビーム１３６は、レンズ１４０を通過し、ピンホールアパーチャプレート１５０の開口１５２に光１４２として投射され、第１のミラー１５８に到達する。光１４２のビームは、第１のミラー１５８によって第２のミラー１５９へ反射される。光１４２のビームはさらに、第２のミラー１５９によって検出器１６０上へ反射される。図２および３には光ビーム１３４、反射ビーム１３６および光１４２のビームの中心軸だけが図示されていることを理解しなければならない。一般に、光ビーム１３４および１３６は開口１５２より大きいビーム径を有しており、従って、開口１５２は光学系の制限開口である。

種々の例示的実施形態において、ビーム１３４およびビーム１３６は、２次元スケール１１０に垂直な平面において互いに対して４５°の角度にある。第１および第２のミラー１５８および１５９はそれぞれ、ビーム１３６の方向を９０°ずつ変える。種々の例示的実施形態において、２次元スケール１１０とレンズ１４０の有効平面との間の距離Ｌ２は約５．５ｍｍである。レンズ１４０と開口１５２との間の距離Ｌ３は約４．５ｍｍである。第１のミラー１５８と開口１５２との間の距離Ｌ１は約４．１ｍｍである。第１のミラー１５８と第２のミラー１５９の間の距離Ｌ４は約２３．７ｍｍである。第２のミラー１５９と検出器１６０との間の距離Ｌ５は約５．３ｍｍである。

図４は、２次元スケール１１０の一部の１つの例示的実施形態の等角側面図を例示している。スケール１１０は、入射光ビームと光軸との間の角度が、相対的に鏡面のスケール表面がそれらの相対的鏡面に入射する光（すなわち反射光１３６）を、読取ヘッド１２６によって検出される光の経路（すなわち光軸１４４と概ね位置合わせされた経路）から離れて反射するようなものである場合に、使用可能である。

図４に図示された通り、２次元スケール１１０のスケールのフィーチャー(feature)は一般に、図４において点線の輪郭線によって示された２次元スケール暗パターン要素１１５および、２次元スケール明パターン要素１１９を含む。図４において、垂直方向での２次元スケール暗パターン要素１１５および２次元スケール明パターン要素１１９の高さまたは厚さは、例証のために相当に誇張されていることを理解しなければならない。

種々の例示的実施形態において、２次元スケール暗パターン要素１１５は、２次元スケール１１０を形成するために使用される基板１１３の第１の表面１１４に形成された反射性薄膜であるパターン形成材料層１１７の一部である。図４に図示された実施形態では、説明のために限られた数の例示的な２次元スケール暗パターン要素１１５しか点線で示されていないが、残りの２次元スケール暗パターン要素１１５は、２次元スケール暗パターン要素１１５が併合されかつ／または見分けがつかない連続領域として表現されることを理解しなければならない。一般に、２次元スケール暗パターン要素１１５は、２次元スケール明パターン要素１１９と広がりの点で同様であり、そのサイズは２次元スケール１１０を作製するために使用されるプロセスに関係するパターン形成分解能に概ね対応する。このように、図４に図示された構成に関して、２次元スケール１１０の種々の部分において、２次元スケール明パターン要素１１９のいくつかは、それらが併合されかつ／または見分けがつかないスケールフィーチャーを形成するためにより高い配置密度で代替的に図示され得るであろうし、２次元スケール暗パターン要素１１５は２次元スケール１１０の種々の部分において相対的に孤立した要素として代替的に図示され得るであろう。

２次元スケール暗パターン要素１１５は、概ね一貫した光学特性を有し、第１の測定軸１１１および第２の測定軸１１２に沿って延在する表面を備える。種々の例示的実施形態において、２次元スケール暗パターン要素１１５および２次元スケール明パターン要素１１９は、読取ヘッド画像での異なる反射強度を付与する。その強度の範囲は、２つの極限強度（すなわち黒と白）間のスペクトルのいずれをも範囲とする。但し、それらの異なる反射強度がここに記載される測定原理に従った動作可能スケールを付与するために概ね区別され得ることを条件とする。図４に図示された実施形態において、２次元スケール１１０の基板１１３の第２の表面１１４’が、光ビーム１３４の源により近くなるように、２次元スケール１１０は配置される。この場合、基板１１３は光ビーム１３４の少なくとも１つの波長に対して透明でなければならない。拡散バッキング(diffuse backing)１１８が第１の表面１１４上にか、その上方にか、または極めて近くに形成または設けられており、結果的に、拡散バッキング１１８は、２次元スケール暗パターン要素１１５における開口または除去領域である２次元スケール明パターン要素１１９の領域を拡散反射表面にする。この拡散バッキングまたはコーティング１１８は、光ビーム１３４の入射光の少なくとも一部を光軸１４４に沿って拡散的に方向づける。

１つの例示的実施形態において、拡散バッキング１１８は、２次元スケール明パターン要素１１９の領域の表面１１４を覆う吹付けコーティングである、拡散反射コーティング形式のバッキング１１８Ａである。別の例示的実施形態において、拡散バッキング１１８は、拡散反射基板形式のバッキング１１８Ｂであり、それは表面１１４にほぼ接しており、２次元スケール明パターン要素１１９の領域で光ビーム１３４を反射する。種々の例示的実施形態において、拡散反射基板形式のバッキング１１８Ｂは、表面１１４と可能な限り厳密に合致し、２次元スケール明パターン要素１１９と２次元スケール暗パターン要素１１５との間に最善に可能なエッジデフィニションおよびロケーションを付与する。種々の例示的実施形態において、基板形式のバッキング１１８Ｂは、２次元スケール１１０を保持する取付部材の表面として設けられる。

種々の例示的実施形態において、パターン形成材料層１１７は反射性薄膜層であり、２次元スケール明パターン要素１１９は、従来の薄膜パターン形成技法によって形成され得る。種々の例示的実施形態において、２次元スケール暗パターン要素１１５および２次元スケール明パターン要素１１９の公称サイズは、約５〜１０ミクロンである。

種々の例示的実施形態において、２次元スケール１１０の準ランダムパターン部に特徴的な公称フィーチャーサイズ(nominal feature size)は、以下でさらに詳述する通り、２次元スケール暗パターン要素１１５および２次元スケール明パターン要素１１９のサイズに相当する。そうした実施形態において、準ランダムパターンは、バイナリ値スケールフィーチャーの準ランダムパターンに近似するはずである。種々の他の例示的実施形態において、２次元スケール１１０の準ランダムパターン部に特徴的な公称フィーチャーサイズは、２次元スケール明パターン要素１１９のサイズより著しく大きい。そうした実施形態において、２次元スケール１１０の準ランダムパターン部の公称フィーチャーの広がりの内部における２次元スケール暗パターン要素１１５および２次元スケール明パターン要素１１９の個別の分布および／または配置密度は、個々の公称フィーチャーについて、各公称フィーチャーに対応する２次元スケール１１０の画像のピクセル強度値が事実上、公称フィーチャーの少なくとも一部のバイナリ画像値に制限されない平均グレースケール値を付与し得るように調整され得る。そうした実施形態において、準ランダムパターンは、グレースケール値化されたスケールフィーチャーのスペクトルを含む準ランダムパターンに近似するはずである。

パターン形成材料層１１７が写真乳剤である種々の例示的実施形態において、２次元スケール暗パターン要素１１５および２次元スケール明パターン要素１１９は、従来の露光・処理技法によって形成され得る。そうした例示的実施形態において、２次元スケール暗パターン要素１１５および２次元スケール明パターン要素１１９は一般に、極限コントラストのバイナリ状画像値および／またはグレースケール値のどちらか一方を与えるように処理され得る。種々の例示的実施形態において、２次元スケール暗パターン要素１１５は相対的に不透明で光吸収性であるように処理することができ、２次元スケール明パターン要素１１９は完全にまたは部分的に透明であるように処理することができる。

図４に図示された２次元スケール１１０の例示的実施形態がいくつかの利点を提供することを理解しなければならない。この例示的実施形態では、２次元スケール１１０は、２次元スケール１１０の拡散部分の動作可能な広がりおよびロケーションが事実上スケールの暗パターン要素１１５のエッジによって規定されるので、作製が容易である。従って、２次元スケール１１０の拡散部分は、これらの拡散部分の広がりまたはロケーションを制御するためにいかなる特別な処理も必要としない。さらに、図４に図示された２次元スケール１１０の向きの場合、第２の表面１１４’上の汚染が、２次元スケール１１０の検出画像において焦点をずらす傾向がある。さらに、表面１１４は、基板１１３および／または拡散バッキング１１８によって、かつ／または恐らく表面１１４に接する外部取付要素によって、損傷から保護される。しかし、前述の通り、一般に、光源１３０によって供給された光の波長により照明された時に本発明に従って相対的にハイコントラストなスケール画像を付与するあらゆるスケール構成または向きが使用され得る。

レンズ１４０に到達した２次元統合スケールパターン３００の照明部分からの反射光１３６はその後、光１４２として光検出器１６０上へ投射される。種々の例示的実施形態において、レンズ１４０は、約３ｍｍの直径および約４．５ｍｍの焦点距離ｆを有する両凸レンズとし得る。前述の通り、種々の例示的実施形態において、光１４２はピンホールアパーチャプレート１５０のピンホール開口１５２を通過する。レンズ１４０は、レンズ１４０の焦点距離ｆにほぼ等しい距離だけピンホールアパーチャプレート１５０から離間されており、光検出器１６０上の統合スケールパターン３００の画像の倍率を物体距離ｇとほぼ独立にさせる。

詳細には、ピンホールアパーチャプレート１５０が使用されている場合、ピンホール開口１５２によって通過した光１５４はその後、光軸１４４に沿った距離ｄで、光検出器１６０の２次元アレイ１６６の２次元画像素子１６２の表面上に投射される。そのようなテレセントリックな構成の場合、２次元統合スケールパターン３００の画像フィーチャー(image feature)の倍率は、このように主に焦点距離ｆと距離ｄとの関係に依存し、ｄ／ｆにほぼ等しい。

より一般的には、開口１５２が相対的に大きいか、またはピンホールアパーチャプレート１５０が省略されている構成の場合、倍率は物体距離ｇによって変わる。この場合、２次元統合スケールパターン３００の照明部分から画像素子１６２の２次元アレイ１６６上に反射される光の検出部分内の画像フィーチャーの近似倍率Ｍは、以下のようになる。

Ｍ≒（ｆ＋ｄ）／ｇ （１）

ここで、
ｇは物体距離である。
ｆはレンズ１４０の焦点距離である。
ｄはレンズ１４０の焦点距離を越えて２次元アレイ１６６の表面までの距離である。

種々の例示的実施形態において、２次元光学変換器１００のこれらのパラメータの代表値は以下を含む。ｇ≒４．５ｍｍ、ｆ≒４．５ｍｍ、およびｄ≒２８．３５ｍｍ。その結果、対応する近似倍率Ｍは７．３である。ピンホール開口１５２のサイズを選定する際に、２次元統合スケールパターン３００の画像の被写界深度、すなわち物体距離ｇが読取ヘッド隙間のミスアラインメントなどのために変化した時の画像のぼけの量と、アレイ１６６の画像強度との間に妥協も存在することを理解しなければならない。１つの例示的実施形態では、ピンホール開口１５２は０．８ｍｍの直径を有する。種々の他の例示的実施形態において、ピンホール開口１５２は０．５ないし２．０ｍｍの直径を有する。倍率を正確に計算することが難しい場合、有効倍率はまた、与えられた位置エンコーダ設計および指定された動作パラメータについて実験的に決定され得ることも理解しなければならない。例えば、有効倍率は、各軸に沿った画像素子の既知の間隔および既知の次元の種々のスケールフィーチャーの観察された画像サイズに基づいて決定され得る。

画像を取得するために、信号生成・処理回路２００は、光源１３０を駆動して光ビーム１３４を放射させるために信号線１３２に駆動信号を出力する。光ビーム１３４は２次元統合スケールパターン３００の一部を照明し、それは光検出器１６０の画像素子１６２の２次元アレイ１６６上で撮像される。信号生成・処理回路２００はその後、信号線１６４によって複数の信号成分を入力し、各信号成分は個別の画像素子１６２のうちの１つ以上によって検出される画像値に対応している。

２つの次元の各々に沿った２次元統合スケールパターン３００に対する読取ヘッドの現在の変位を決定するために、信号生成・処理回路２００により光検出器１６０から受信された現在画像の信号成分は、メモリに入力され記憶される。現在画像は、その後、読取ヘッド１２６と２次元スケール１１０との間の各次元に沿った絶対位置を決定するために、分析される。当然、光検出器から受け取った画像を記憶することは、絶対位置がオンザフライ(on the fly)で計算できる場合、スキップされ得ることを理解しなければならない。種々の例示的実施形態において、絶対位置決定の分析の一部として、現在画像の測定軸１１１および１１２のうちの少なくとも一方に対応する方向で広がっている画像素子１６２の１行または１列、またはせいぜい少数の行または列が、分析のために選定される。

以下でさらに詳細に検討するように、分析の一部として、現在画像に現れる２次元コード部の位置づけがされる。この位置づけされた２次元コード部は、その位置づけされたコード部によって定義される第１分解能２次元絶対位置を決定するために、復号される。位置づけされたコード部の２次元配置、または位置づけされたコード部の（もしくはそれに関係する）所定部分の２次元ロケーションが、その後、現在画像フレーム（すなわち画像素子１６２の２次元アレイ１６６）に対して決定される。

現在画像フレームに対するこの決定された２次元ロケーションによって、２次元統合スケールパターン３００に対する読取ヘッド１２６の２次元絶対位置が、復号されたコード部によって指示された第１分解能２次元ロケーションから第２分解能２次元ロケーションに精緻化される。種々の例示的実施形態において、この第２分解能２次元ロケーションはピクセル分解能であり、２次元アレイ１６６の２つの次元または軸の各々に沿った画像素子１６２のピクセル間隔またはピッチに対応している。

第２分解能２次元ロケーションの最高達成可能性は、真のピクセル分解能に対応することを理解しなければならない。すなわち、各軸に沿った第２分解能は、その軸に沿った絶対ロケーション測定値の不確さを、ある分解能まで低減する分解能がある。上記ある分解能とは、読取ヘッド１２６によって付与されるその次元に沿った倍率および２次元アレイ１６６のその次元に沿ったせいぜい１〜２ピクセルピッチ増分に対応する分解能である。当然、第２分解能は、補間または重心に基づく決定が使用される場合、１ピクセルピッチより良好になり得ることを理解しなければならない。

準ランダムパターンを含む現在画像の少なくとも一部が、多数のオフセット位置の各々について対応する準ランダムパターンを含む参照画像と、ピクセル単位で比較されることにより、スケールに対する読取ヘッドの絶対位置が第３分解能まで決定される。種々の例示的実施形態において、第３分解能は、アレイ１６０上の画像のサブピクセル分解能位置決定に対応している。参照によってここに全体として採り入れられる、米国特許出願第０９／７３１６７１号に詳細に開示されたように、一連の比較は、相関曲線のピークおよび／または谷にわたる。

すなわち、参照画像および現在画像は、相関関数値点を生成するために処理される。例示的実施形態において、現在画像は、２つの画像のパターンを最も近くに位置合わせさせるオフセットを含む、ある範囲のオフセットまたは空間変換位置にわたり、参照画像に対してディジタル的にシフトされる。相関関数値点はパターン位置合わせの程度を指示しており、従って画像がディジタル的にシフトされる際に２つの画像を位置合わせさせるために要求されるオフセットの量を指示する。このオフセットは、２次元スケール１１０に対する読取ヘッド１２６の絶対位置を、第２分解能から第３分解能に精緻化するために使用され得る。第３分解能とは、読取ヘッド１００によって付与される倍率で割られた、アレイ１６６の片方または両方の軸における１より著しく小さいピクセルピッチ増分に対応する。

種々の例示的実施形態において、参照画像は、２次元統合スケールパターン３００の繰り返し準ランダムパターン部によって規定された準ランダムパターン画像である。実際のおよび／または合成のスペックルパターンに基づき得る準ランダムパターンを含む準ランダムパターン部は、参照画像の準ランダムパターンと公称上同一であり、Ｘ軸およびＹ軸の両方向で２次元統合スケールパターン３００において繰り返される。

参照画像を現在画像と比較するための多数の様々な技法が存在することを理解しなければならない。例えば、第１の例示的な技法では、選定された１つ以上の行を参照画像のフレーム全体の幅とピクセル単位で比較して単一の相関値を生成する際に、現在の「変位した」画像のフレームの領域全体が使用され得る。この場合、現在の参照画像および変位した画像の他方の領域と重なり合わない参照画像および現在画像の領域に存在するようなピクセルが、デフォルト比較値を有するピクセルと比較されるか、またはデフォルト比較値を割り当てられるかなどされる。他の例示的な技法では、部分画像が比較される。いずれの場合も、相関ピークおよび／または谷を指示する一連の相関値は、各比較が実行された後、参照画像に対して適切な方向で１つ以上のピクセルだけ現在画像をシフトさせることによって生成される。

図５は、本発明に従った２次元統合スケールパターン３００の第１の例示的実施形態３００’のブロック図レイアウトを例示している。図５に図示された通り、２次元統合スケールパターン３００’は、複数の部３１０（各部３１０は一つの２次元準ランダムパターンを含む）および複数の２次元コード部３３０を含む。本発明の原理によれば、２次元統合スケールパターン３００’の複数の２次元準ランダムパターン部３１０および複数の２次元コード部３３０は、２次元統合スケールパターン３００’の個々の局所領域をシェア(share)し、またはそこで「統合」されている。局所領域は、以下でさらに詳述する検出窓３４０のサイズにほぼ対応する。

図５に図示された統合スケールパターン３００’は、２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿って延びる本発明に従った２次元スケール１１０の領域全体にわたり延在する。すなわち、複数の２次元準ランダムパターン部３１０および複数の２次元コード部３３０はそれぞれ、２つの軸１１１および１１２の各々に沿って広がりを有する。種々の例示的実施形態において、２つの軸１１１および１１２の各々に沿って、２次元準ランダムパターン部３１０および２次元コード部３３０は、２次元スケール１１０の領域全体にわたり反復シーケンスで配置されている。随意選択で、いくつかの例示的実施形態において、２次元コード部３３０の各々は、以下でさらに詳述するように、所定のフィーチャー３２０を含む。

２次元準ランダムパターン部３１０および２次元コード部３３０の両方を２次元統合スケールパターン３００の各局所領域において単一の統一構造に統合することによって、２次元統合スケールパターン３００の境界内のいずれかの場所の２次元統合スケールパターン３００上に位置づけられた検出素子の集合（光検出器１６０の画像素子１６２の集合のような）は、測定軸１１１および１１２に沿った読取ヘッド１２６に対する２次元スケール１１０の位置のいずれかの組合せで２次元準ランダムパターン部３１０および２次元コード部３３０に含まれた情報を検出するために使用可能であることを理解しなければならない。

図５に図示された通り、光検出器１６０によって単一画像としてキャプチャされ得る統合スケールパターン３００’の一部に対応する検出窓３４０が、２次元統合スケールパターン３００の少なくとも一部にわたり２次元スケール１１０に沿って２つの次元で延在する。本発明に従った種々の例示的実施形態において、本発明に従った２次元統合スケールパターン３００の構成のために、統合スケールパターン３００内のＹ軸に沿った検出窓３４０の幅は、以下でさらに詳述する通り、検出窓３４０がいずれかの２つの隣り合うコード部の対応する境界間のＹ軸に沿った距離と公称上少なくとも同じ幅である限り、特に重要ではないことを理解しなければならない。同様に、本発明に従った２次元統合スケールパターン３００の構成のために、統合スケールパターン３００内のＸ軸に沿った検出窓３４０の長さも、検出窓３４０がいずれかの２つの隣り合うコード部の対応する境界間のＸ軸に沿った距離と公称上少なくとも同じ幅である限り、重要ではないことを理解しなければならない。

種々の例示的実施形態において、光検出器１６０のサイズおよび、読取ヘッド１２６の光学系１４０〜１５２によって付与される倍率は、測定軸１１１および１１２に沿った２次元準ランダムパターン部３１０および２次元コード部３３０の広がりと協働して、検出窓３４０が、２次元スケール１１０の領域内での読取ヘッド１２６の位置に関わらず、完全な２次元コード部３３０が検出窓３４０に現れることが保証される程度に十分に測定軸１１１および１１２に沿って延在するようなものであることを理解しなければならない。検出窓３４０が少なくともその長さでありかつ少なくともその幅であれば、完全な２次元コード部３３０を復号することは、読取ヘッド１２６のいずれかの位置が、２つ以上の不完全な２次元コード部３３０が検出窓３４０に現れる結果となる状況に関しても、著しく単純化される。すなわち、いくつかの例示的実施形態において、検出窓３４０のサイズに関する唯一の実質的な要件は、検出窓３４０が、少なくとも１つの２次元コード部３３０が検出窓３４０内に完全に存在することを保証するために十分な程度に十分に長く幅広である必要がある、ということである。

代替的に、図５におおよそ図示された通り、種々の例示的実施形態において、完全なコード部３３０と等価な情報が、読取ヘッド１２６および２次元スケール１１０の位置に関わらず多数の２次元コード部３３０のうちの２つ以上の別個のセグメントから「再構成され」得るように、検出窓３４０が２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿って十分に延在するような検出窓３４０が使用できる。この条件を満たすには、検出窓３４０は一般に、２次元スケール１１０の１つの２次元コード部３３０のエッジから隣り合う２次元コード部３３０の対応するエッジまでのその測定軸１１１または１１２に沿った距離に等しいかまたはそれよりいくぶん大きい量だけ２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿って延在する。そのような距離は、一般に、大多数の潜在的スケール位置に完全な２次元コード部３３０を含む。読取ヘッド１２６のいくつかの位置で、そのような検出窓３４０はまた、少なくとも２次元準ランダムパターン部３１０の多数のスケール要素によって画定される１つの完全な２次元コード部３３０を含むために概ね十分である。いずれにせよ、２つの測定軸１１１または１１２の一方または両方に沿ってそうした種類の広がりを有する検出窓３４０について、２次元コード部３３０のパターンは、意図した再構成技法に照らして選択されなければならない。例えば、パターンは、連続した二進数コードとしてまたは、周知の疑似ランダム「チェーン」コード技法などによって選択され得る。関係する再構成操作は、２次元コード部３３０に所定のフィーチャー３２０を含む例示的実施形態において単純化され得るか、かつ／またはより頑強または高速になり得ることを理解しなければならない。

図５に図示された２次元統合スケールパターン３００’の第１の例示的実施形態において、所定部分３２０は２次元コード部３３０の一方側に位置づけられる。しかし、種々の他の例示的実施形態において、所定部分３２０が２次元コード部３３０の頂部に沿ってまたは、各２次元コード部３３０の２つ以上のエッジなどに位置づけられることを理解しなければならない。そうした場合、コード部３３０の１つのエッジに沿って配列された所定部分３２０は、コード部３３０の別のエッジに沿った所定部分３２０とは別個であり得る。種々の他の例示的実施形態において、所定部分３２０は、コード部３３０のもっと中心に向けて位置づけられる。

所定部分３２０は、２次元準ランダムパターン部３１０および／または２次元コード部３３０に現れる２次元準ランダムパターンが他のパターンフィーチャーと確実かつ容易に区別され得るように、いずれかのフィーチャーまたはフィーチャーの組合せとすることができる。例えば、そのようなフィーチャーは、以下に限らないが、測定軸１１１に沿った一意(unique)の長さおよび／または測定軸１１２に沿った一意の長さを有する明または暗スケールフィーチャー、測定軸方向１１１に沿ったおよび／または測定軸１１２に沿った明および／または暗スケールフィーチャーの一意のパターン、および／または、光検出器１６０の画像素子１６２によって検出される一意の色または強度を有する１つ以上のスケールフィーチャーを含む。種々の例示的実施形態において、所定部分３２０の全部は同一である。

使用される信号処理アルゴリズムに依存して、所定部分３２０は省略することができる。しかし、そうした所定部分３２０を使用することが、検出窓３４０内で２次元コード部３３０を迅速かつ頑強に識別し位置決定するために使用される信号処理アルゴリズムを単純化することを理解しなければならない。

所定部分３２０が含まれるか否かに関わらず、２次元コード部３３０の各々は、コード要素の別個のかつ／または一意のパターンまたはコード群を含む。コード要素のこの別個のかつ／または一意のパターンは、検出窓３４０に現れる特定の２次元コード部３３０に関係する少なくとも１つの位置の値を明確に決定できるようにする。２次元スケール１１０内の個々の特定の２次元コード部３３０の２次元ロケーションは事前に規定されているかまたは、計算され得るので、いずれの２次元コード部３３０が検出窓３４０に現れるかをそのコード部３３０のコード要素の特定の別個のかつ／または一意のパターンを決定することによって識別することは、２次元スケール１１０に対する検出窓３４０の、従って読取ヘッド１２６の２次元絶対位置を、検出窓３４０のサイズおよび／または２次元コード部３３０間の間隔と同様に第１分解能で粗略に決定され得るようにする。

すなわち、与えられた原点に対する２次元スケール１１０内の与えられた２次元コード部３３０の２次元ロケーションは高度な正確さおよび精度で既知であり得るが、検出窓３４０に対する２次元コード部３３０および１つ以上の周囲の２次元準ランダムパターン３１０の２次元ロケーションは、検出窓３４０に現れている２次元コード部３３０のコード値を単に決定する操作に基づいて必ずしもわかるわけではない。詳細には、１つ以上の２次元準ランダムパターン３１０および２次元コード部３３０は、２次元検出窓３４０内のいずれの場所にも位置づけられ得る。

上述の通り、いずれかの特定の２次元コード部３３０に対応する２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿った測定値は、別個のかつ／または一意のコードパターンによって事前に規定され得るかまたは、別個のかつ／または一意のコードパターンから計算されるかまたは別様に決定され得る。すなわち、種々の例示的実施形態において、別個のかつ／または一意のコードパターンはルックアップテーブル内に記憶され、それはその別個のかつ／または一意のパターンを含む２次元コード部３３０に対応する２次元スケール１１０上の公称２次元ロケーションの２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿った測定値も記憶する。この場合、種々の例示的実施形態において、別個のかつ／または一意のパターンは、いずれかの所望の順序またはシーケンスで生起することができ、この時、２次元コード部３３０の隣り合うものの別個のかつ／または一意のパターンにはいかなる関係も存在する必要はない。この場合、別個のかつ／または一意のパターンは、例えば、２次元コード部３３０の隣り合うものの別個のかつ／または一意のパターンの区別を増大させるようにといった、いずれかの所望の形で２次元コード部３３０間に分布され得る。

種々の他の例示的な実施形態において、別個のかつ／または一意のパターンは、これらの別個のかつ／または一意のパターンを含んでいる２次元コード部３３０の２次元ロケーションに何らかの形で客観的に対応し得る。この対応はその後、２次元スケール１１０内の２次元コード部３３０の２次元絶対位置を、従って検出窓３４０の、それゆえ２次元スケール１１０に対する読取ヘッド１２６の、２次元絶対位置を直接決定または計算するために使用され得る。種々の例示的実施形態において、２次元コード部３３０は、それぞれ、Ｘ軸およびＹ軸の各々に沿った規則的な各自のピッチまたは間隔で２次元スケール１１０内に配置される。

特定の２次元コード部３３０の別個のかつ／または一意のパターンは、その一意のパターンまたはコードワードにおける２つの各自のＸおよびＹの二進数またはそれ以上の基数といった、少なくとも１つの二進数またはそれ以上の基数を定義する。それぞれのＸおよびＹの二進数またはそれ以上の基数が定義されている種々の例示的実施形態において、２次元スケール１１０のそれぞれの測定軸１１１または１１２に沿って順次的である２次元コード部３３０によって指示される各自のＸおよびＹの数は各々、それぞれの測定軸１１１または１１２に沿った特定のシーケンスを定義する。

従って、そのような例示的実施形態において、例えば、どちらか一方の各自の軸に沿って、その軸に沿って延びるそのような２次元コード部３３０のシーケンスにおける第１の２次元コード部３３０は、そのそれぞれの軸に沿っていずれかの規定された数値シーケンスでそれぞれの第１の数を規定する別個のかつ／または一意のパターンを有するであろう。その数はその後、その軸に沿ったそのシーケンスで個々の連続した２次元コード部３３０について１増分だけ増加され得る。

数またはコードワードのシーケンスが使用される場合、検出窓３４０の左かつ／または上部に撮像された１つの２次元コード部３３０の数またはコードワードの終端セグメントおよび検出窓３４０の右かつ／または底部に撮像された少なくとも１つの隣り合う２次元コード部３３０の数またはコードワードの先頭セグメントから完全なコードワードを再構成することは、特に高速かつ容易であることを理解しなければならない。従って、数またはコードワードのシーケンスは、２次元統合スケールパターン３００’に対する検出窓３４０のスパンが、少なくとも１つの完全な途切れのない２次元コード部３３０が２次元スケール１１０のすべての可能な画像に含まれることを保証するものよりも小さい最小使用可能サイズのものであるように望まれる場合に、特に有用である。当然、より複雑で不規則な構成、公式および方法が、これらの別個のかつ／または一意のパターンを含む２次元コード部３３０の別個のかつ／または一意のパターンおよび２次元ロケーションを関連づけるために使用され得る。

個々の特定の２次元コード部３３０は測定軸１１１および１１２の両方に沿って延在する２次元領域に分布されるが、それにも関わらず個々の特定の２次元コード部３３０は、２次元スケール１１０の領域における特定の点に関係づけられている２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿った測定値に一意に対応するかまたは、それらを識別することを理解しなければならない。特定の２次元コード部３３０によって指示される２つの測定軸１１１および１１２に沿った測定値に対応する２次元スケール１１０の領域おける個々の特定の点について、その点は局所基準と呼び得ることを理解しなければならない。

一般に、局所基準は、エッジに沿った既定の点、種々のエッジまたはフィーチャー中心のＸＹ座標の組合せ、領域中心点または、検出窓３４０に対して位置づけられ得る２次元コード部３３０の１つ以上の特定的に認識可能な明および／または暗スケールフィーチャーのいずれかの他の局所化可能な特性とすることができる。本発明によれば、局所基準は必ずしも、２次元統合スケールパターン３００に特別に付加されなければならない別個のフィーチャーまたは特性であるわけではないことを理解しなければならない。むしろ、２次元統合スケールパターン３００の画像に関係する信号処理は、２次元統合スケールパターン３００のいずれかの特定的に認識可能な局所化可能なフィーチャーまたは特性を局所基準として暗黙的に選択または使用し得る。

１つの例示的実施形態において、局所基準は、その局所基準に関係するＸおよびＹ測定値を指示する２次元コード部３３０の一部に直接隣り合っている２次元コード部３３０の２次元スケールフィーチャーの特性として便宜的に選択される。さらなる例示的実施形態において、局所基準は、以下でさらに詳述するように、コード位置インジケータといった、その局所基準に関係するＸおよびＹ測定値を指示するコード部３３０に関係する所定部分３２０の特性として便宜的に選択される。そのような例示的実施形態は、検出窓３４０内で局所基準を迅速かつ頑強に識別し位置決定するために要求される信号処理アルゴリズムを単純化し得る。

一般に、局所基準は、検出窓３４０に現れる２次元コード部３３０が、第１分解能２次元絶対位置および／または第３分解能２次元絶対位置を決定するために分析される前か、その間かまたはその後に、検出窓３４０に対して位置決定され得る。例えば、局所基準を識別および／または位置決定することは、種々の画像素子１６２に関係する画像強度値に適用される、公知のエッジ検出または重心検出技法などに基づき得る。いずれにせよ、検出窓３４０に対する局所基準の２次元ロケーションは、２次元絶対位置決定の分解能を前述の第１分解能より精細な第２分解能に精緻化するために使用される。

本発明に従った２次元統合スケールパターン３００を使用することによって、種々の例示的実施形態において、測定軸１１１に沿って延びる画像素子１６２の限られた数の行および／または列だけが、検出窓３４０に対する局所基準のロケーションを第２分解能まで決定するために分析される必要があることを理解しなければならない。さらに、検出窓３４０に対する局所基準の第２分解能ロケーションは、現在画像が２つの画像のパターンを最も近くに位置合わせさせるオフセットを決定するために参照画像に対してディジタル的にシフトされるオフセットまたは空間変換位置の範囲を選定および／または狭めるために使用され得る。このようにして、本発明に従った２次元統合スケールパターン３００を使用するシステムは、高速な信号処理を達成することができる。

コード部のコード要素および２次元準ランダムパターン部３１０の公称準ランダムパターンフィーチャーサイズは図８〜１０においてほぼ等しいものとして図示されているが、種々の他の実施形態において、コード要素は、公称準ランダムパターンフィーチャーサイズより２倍以上大きいとし得ることを理解しなければならない。また他の実施形態では、コード要素は、公称準ランダムパターンフィーチャーサイズより２倍以上小さいとし得る。互いに対する各自のサイズに関わらず、種々の例示的実施形態において、準ランダムパターンの公称フィーチャーサイズ、コード部のコード要素のサイズおよび、読取ヘッド１２６の構成によって付与される倍率は、コード部のコード要素のサイズおよび光検出器１６０での２次元準ランダムパターン部３１０の公称準ランダムパターンフィーチャーサイズがそれぞれ、２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿った画像素子１６２のピクセルピッチの各々少なくとも３倍であるように選択される。種々の例示的実施形態において、２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿って、例えばピクセル強度値の遷移に基づき、１ピクセルピッチに等しいかまたはより大きい分解能でのエッジ検出といった、頑強で単純な基準位置決定技法が選択される。そのような構成は、頑強であり、さらに単純かつ高速な信号処理を可能にする。

１つ以上の２次元準ランダムパターン部３１０は、検出窓３４０に対する、従って読取ヘッド１２６に対する２次元スケールの２次元絶対位置の決定を第３分解能まで精緻化するために使用され得る。第３分解能は、準ランダムパターンの公称フィーチャーサイズおよび／または本発明の原理に従って読取ヘッドによって検出された画像における準ランダムパターンの公称フィーチャーサイズより少なくとも２、３倍精細である、またより何倍も精細であることもある、正確さを２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿って有する。種々の例示的実施形態において、第３分解能は、２つの測定軸１１１および１１２の各々に沿って、検出窓３４０に対する２次元スケール１１０の投射された画像をサブピクセル分解能まで位置決定することに対応している。

種々の例示的実施形態において、検出画像における局所基準画像のロケーションを決定することに基づいて検出窓３４０に対する局所基準のロケーションを第２分解能まで決定する操作は、省略されることを理解しなければならない。そうした実施形態では、相関関数値および／または相関曲線が、検出窓３４０に対する２次元スケール１１０の投射された画像のロケーションをサブピクセル分解能まで直接決定するために生成される。

検出窓３４０に対する局所基準の画像のロケーションを第２分解能まで決定し、第２分解能がほぼ１ピクセルピッチの分解能に対応する種々の他の例示的実施形態において、相関関数値および／または相関曲線は、少なくともある程度サブピクセル分解能を得るために生成される。

採り入れられた第６７１号出願は、当該のピークまたは谷の周辺の相対的に少数の相関関数値点に基づき相関曲線のピークまたは谷のピクセルおよび／またはサブピクセルロケーションを高精度に決定するための多様な方法を開示している。これらの技法、または他のいずれかの適切な周知であるかまたは今後開発される技法のいずれも、検出窓３４０に対する２次元スケール１１０の投射された画像のオフセット位置をピクセルおよび／またはサブピクセル分解能まで決定するために使用され得ることを理解しなければならない。このようにして、読取ヘッド１２６に対する２次元スケール１１０の位置は、準ランダムパターンのフィーチャーの公称フィーチャーサイズおよび／または拡大されたピクセルピッチよりも少なくとも２、３倍精細である、またより何倍も精細であることもある、第３分解能および正確さにまで決定される。

本発明に従った２次元統合スケールの種々の例示的実施形態において、画像の大きな割合部分が、その画像における１つ以上のコード部３３０のロケーションに関わらず、対応する代表的な参照画像またはパターンと効果的に相関づけられ得る２次元準ランダムパターン部３１０を含む。さらに、検出窓３４０に対する局所基準の画像の位置を第２分解能まで決定する種々な例示的実施形態において、ＸおよびＹ方向の相関ピークを求めるために必要なＸおよびＹオフセットの範囲は、検出窓３４０に対する２次元準ランダムパターン部３１０の近似オフセットが既知であることとともに、画像におけるＸ軸およびＹ軸の両方の２次元準ランダムパターン部３１０のフィーチャーの高空間周波数に起因して、限定され得る。従って、本発明に従った２次元統合スケールは、高分解能２次元位置決定が高速で行われることを可能にし、高分解能かつ高速な２次元絶対位置測定決定全体を支援する。

２次元統合スケールパターン３００が、本発明に従った統合スケールパターン３００’の２次元準ランダムパターン部３１０に一体化された１つ以上の２次元準ランダムパターンといった、１つ以上の繰り返される予測可能な２次元準ランダムパターンのタイリングを含む場合、そのような２次元準ランダムパターンで使用可能な高分解能または第３分解能の位置検出技法は、特定の２次元バーコードパターンなどといった、各タイルにパターンの反復する大きい部分を含まない２次元パターンをタイリングする時に達成され得る技法および結果に比べて、特に単純で、正確で、高速でかつ信頼できることを理解しなければならない。

例えば、高分解能位置を決定するためにソフトウェアおよび／またはハードウェアベースの相関技法を使用する実施形態において、参照画像またはハードウェア検出器構造は、単一の固定した機器構成とすることができる。ハードウェア検出器構成の修正または、現在画像への参照画像の更新またはマッチングなどは、個々の準ランダムパターン部３１０において繰り返される単一の準ランダムパターンの全部の画像が概ね類似であり予測可能であるので、必要とされない。さらに、概ねまたは完全に繰り返された画像または画像部分の位置のソフトウェアまたはハードウェアに基づく検出の精度は、読取ヘッドのミスアラインメントなどに起因する画像のぼけにそれほど過敏でない傾向がある。さらに、準ランダムパターン部３１０の種々の現在画像との相関に使用される参照画像はメモリにおける画像データの静的集合から導出され、かつまた、準ランダムパターン部３１０の準ランダムパターンはスケール全体にわたり繰り返されるので、スペックル相関測定システムとは異なり、長い範囲の変位測定が著しい誤差を蓄積しない。

種々の例示的実施形態において、個々の準ランダムパターン部３１０は、実質的に同一の準ランダムパターンを含む。準ランダムパターンは、以下でさらに詳述するように、実際のスペックルパターンまたは合成のスペックルパターンに基づき得る。

図６および７は、例示的な準ランダムパターンを例示している。詳細には、図６は、現実または実際のスペックルパターンに基づく準ランダムパターンを示す。一般に、スペックルパターンは、光学的に粗い表面をコヒーレント光源で照明することによって発生させ得る。

図６に図示された通り、準ランダムパターンは、黒色強度レベルに主に対応する種々の公称スケールフィーチャー領域、白色強度レベルに主に対応する種々の公称スケールフィーチャー領域および、当該スケールフィーチャー領域について平均グレー強度レベルを付与する高分解能パターン形成スケール要素の分布を含む、種々の公称スケールフィーチャー領域を含む。そのような公称スケールフィーチャー領域は、相関分析において使用されるピクセル強度レベルを備える画像をもたらす。平均グレーレベルを備えるフィーチャーを含むことは一部の相関分析アルゴリズムの正確さを増強することが、場合によって考えられる。しかし、種々の他の例示的実施形態では、白色または黒色強度レベルを主に含む公称スケールフィーチャー領域だけが使用される。種々の例示的実施形態において、図６に図示された公称スケールフィーチャー領域の公称サイズは、約５ミクロンである。

図７は、人工的に生成された準ランダムパターンを示す。図６に関する前の検討と同様に、図７に図示された通り、種々の公称フィーチャー領域は種々の強度レベルに対応する。図７に図示された公称スケールフィーチャー領域の公称サイズもまた、ほぼ５ミクロン程度である。

図８は、図５に図示された２次元統合スケールパターン３００’に対応する２次元統合絶対スケール４００の第１の例示的実施形態を例示している。図８に図示された通り、２次元統合スケール４００は、複数の２次元準ランダムパターン部４１０および、測定軸１１１および１１２の両方に沿って配列された複数の２次元コード部４３０を有する。さらに、図８に図示された例示的実施形態において、コード部４３０は、所定のパターン部分４２０を含み、それは以下でさらに詳述するように、コード部４３０のコード区域の一貫してパターン形成された最上行および左列から構成される。

種々の例示的実施形態において、単一の準ランダムパターンは、準ランダムパターン部４１０と一般に一致し、それにおいて繰り返されることを理解しなければならない。すなわち、単一の準ランダムパターンは、Ｘ軸およびＹ軸の両方で繰り返し「タイル張り」される。本発明の原理によれば、異なる繰り返し準ランダムパターンの数を、メモリに単純かつ経済的に記憶され、実際の画像と高速で効率的に相関づけられ得る数に制限することが有利である。従って、多くの例示的実施形態において、単一の準ランダムパターンを使用することが最も経済的かつ効率的であるが、本発明はそうした実施形態にそのまま限定されない。

種々の他の例示的実施形態において、複数の異なる相対的に小さい２次元準ランダムパターンが、２次元準ランダムパターン部４１０において使用される。例えば、種々の例示的実施形態において、ほぼ２〜６個の小さい準ランダムパターンが、各２次元準ランダムパターン部に使用される。そのような複数のそのような準ランダムパターンの全部が互いに異なる場合、正味効果は単一の結合された準ランダムなランダムパターンのそれのままであることを理解しなければならない。しかし、種々の例示的実施形態において、複数のそのような準ランダムパターンのうちの少なくとも２つは同一としてよいが、ただし、それが本発明の原理に従って検出された画像を相関づける時にピークオフセット位置の曖昧性の可能性を導入するならば、そうした曖昧性が前述の第１または第２分解能測定値のうちの少なくとも１つに基づいて排除できる場合に限る。そうした実施形態では、２次元準ランダムパターン部４１０の種々の検出画像に相関づけ可能な比較可能な参照画像データを記憶するために要求されるメモリの正味量は、相対的に少なくなり得る。しかし、関連する相関処理は、種々のそうした実施形態においてより複雑となり得る。これらの例示的実施形態の一部において、１つの準ランダムパターンにおけるフィーチャーまたはピクセルのグレーレベルは、他方の準ランダムパターンにおける対応して位置決定されたピクセルの補数となり得る。例えば、そのような例示的実施形態において、１つの準ランダムパターンにおけるフィーチャーまたはピクセルのグレーレベルが黒である場合、他方の準ランダムパターンにおける対応して位置決定されたフィーチャーまたはピクセルは白である。

さらに他の例示的実施形態において、種々の２次元準ランダムパターン部４１０は、相対的に大きい２次元準ランダムパターンによる様々な部分を使用する。そうした実施形態において、２次元準ランダムパターン部４１０の種々の検出画像に相関づけ可能な比較可能な参照画像データを記憶するために要求されるメモリの正味量は、相対的に大きくなり得るが、関連する相関処理は、種々の例示的実施形態においてより高速となり得る。

読取ヘッド１２６は、測定軸方向１１１および１１２に沿って統合スケール４００に対して移動する。個々の準ランダムパターン部４１０は、第１の測定軸１１１すなわちＸ軸に沿って延びる第１の寸法４１４および第２の測定軸１１２すなわちＹ軸に沿って延びる第２の寸法４１６を有する準ランダムパターン４１２を含む。種々の例示的実施形態において、個々の準ランダムパターン部４１０は、複数の２次元コード部４３０のうちの１つを含むかまたは、その周囲に延在する。

図８に図示された例示的実施形態において、第１および第２の寸法４１４および４１６は、それぞれのＹ軸およびＸ軸に沿って同じ広がりを有することを理解しなければならない。従って、準ランダムパターン部４１０、それゆえに１つ以上の準ランダムパターン４１２は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って同じ広がりを有する正方形である。しかし、種々の例示的実施形態において、第１の寸法４１４および第２の寸法４１６は、Ｘ軸およびＹ軸に沿った準ランダムパターン部４１０の広がりが同一ではないように、同一ではないことを理解しなければならない。すなわち、その場合、準ランダムパターン４１２は長方形である。

種々の例示的実施形態において、統合スケール４００のコード部４３０は複数のコード区域を含み、それは図８においてコード部４３０における境界線の行列によって図示されている。コード要素４３２または空白４３４が、上述の通り、各コード部４３０においてハイコントラストをなすコード要素および空白の別個のかつ／または一意のパターンを付与するために個々のコード区域に存在する。

種々の例示的実施形態において、各コード区域の広がりは、便宜上同一とされる。しかし、種々の他の例示的実施形態において、種々のコード区域の広がりは異なり得る。その場合、その変動は、対応する信号処理アルゴリズムにおいて吸収される。

第１および第２の測定軸１１１および１１２の各々に沿って、１つのコード部４３０は、準ランダムパターン部４１０のうちの１つの１つ以上の準ランダムパターン領域によって、隣り合うコード部４３０から分離されている。各コード部４３０は、第１および第２の測定軸１１１および１１２の各々について、局所基準４３６に関係する第１および第２の測定軸１１１および１１２に沿った測定値を指示する。前述のように、局所基準４３６は、必ずしも２次元統合スケール４００の別個のフィーチャーまたは特性というわけではない。むしろ、２次元統合スケール４００に関係する信号処理技法は、２次元統合スケール４００のあらゆる特定的に認識できる局所化可能なフィーチャーまたは特性を局所基準４３６として暗黙的に選択する。

図８に図示された２次元統合スケール４００の第１の例示的実施形態において、局所基準４３６は、所定部分４２０におけるコード区域４３９の左上隅のものとして便宜上選択されている。しかし、上述の通り、この選択はいくぶん任意であることを認識しなければならない。従って、種々の他の例示的実施形態において、局所基準４３６は、準ランダムパターン部４１０において繰り返し生起する一意に識別可能なフィーチャーロケーションとすることができる。

図８に図示された実施形態において、各局所基準４３６は、隣り合う局所基準４３６から第１の測定軸１１１に沿って距離ｄ_０だけ離間されている。同様に、図８に図示された実施形態において、各局所基準４３６は、隣り合う局所基準４３６から第２の測定軸１１２に沿って距離ｄ_１だけ離間されている。種々の例示的実施形態において、距離ｄ_０およびｄ_１はまた、検出窓４４０内に少なくとも１つの完全なコード部４３０が常に存在するように、読取ヘッド１２６の特性に関して選択される。

種々の例示的実施形態において、コード要素４３２は相対的に反射性の要素であり、空白４３４は、コード要素４３２が存在しない時に相対的にそれほど反射性でない。詳細には、相対的に反射性のコード要素４３２を有するコード区域がバイナリの１として復号される場合、空のコード区域、すなわち空白４３４は、バイナリの０として復号される。従って、コード区域におけるコード要素４３２および空白４３４のパターンは、第１および第２の測定軸１１１および１１２に沿った局所基準点４３６の測定値を第１分解能まで識別するために復号され得る二進数またはコードワードを形成する。このようにして、第１および第２の測定軸１１１および１１２に沿った２次元スケールに対する検出窓４４０および読取ヘッド１２６のロケーションは、第１分解能まで決定され得る。

図８に図示された通り、例示的な所定部分４２０は、コード部４３０の最上のコード区域の第１行およびコード部４３０の左のコード区域の第１列を使用する。図８に図示された通り、例示的な所定部分４２０は、第１および第２の測定軸１１１および１１２に沿った特定の所定部分４２０の位置に関わらず、同一である。これらの所定部分４２０の機能は主に、検出窓４４０においてコード部４３０を探索する信号処理が単純で、高速かつ頑強であることを可能にすることであることを理解しなければならない。種々の例示的実施形態において、所定部分４２０の行に沿ったコード区域は常に、対応する画像部分においてハイコントラストをなす強度値を与える交番するコード値を有する。

種々の例示的実施形態において、複数のコード部は、２次元統合スケール４００の面積の３パーセント未満を占める。従って、種々の例示的実施形態において、統合スケール４００の面積の少なくとも９０％が、１つ以上の準ランダムパターン４１２に使用され、上述のように、高分解能の位置決定の正確さを増強する。１つの例示的実施形態において、コード区域は、第１および第２の測定軸１１１および１１２の各々に沿って１０μｍの広がりを有する。コード部４３０の対応する点間の第１の測定軸１１１に沿った間隔ｄ_０は３２０μｍである。コード部４３０の対応する点間の第２の測定軸１１２に沿った間隔ｄ_１は２８０μｍである。検出窓４４０は、例えば、第１の測定軸１１１に対応する方向で約３５２ピクセル、そして例えば、第２の測定軸１１２に対応する方向で約２８８ピクセルを有する光検出器１６０に対応しており、その結果、スケール１１０の１１μｍの領域が光検出器１６０上で約１０ピクセルに対応する画像を投影する。従って、これらの次元を有する例示的実施形態において、コード部４３０に配列された１５ビットのコードは、ほぼ３０００平方ミリメートルの絶対２次元位置測定面積を可能にする。これは、２次元絶対スケール１１０が約５４ｍｍの辺を有する方形２次元統合スケールパターン３００を有することを可能にする。発明人らは、匹敵するスケールパラメータおよびコンパクトな読取ヘッドを使用する信頼できるサブマイクロメータ測定を達成した。このようにして、本発明の原理に従ったコンパクトで実用的な絶対位置測定装置は、高分解能、速度および２次元絶対測定領域範囲の特に有用な組合せを提供する。

図８に図示された構成に関して、所定部分４２０のハイコントラストをなす強度値の一意のパターン、より一般的には、コード空白４３４およびコード要素４３２は、準ランダムパターン４１２の周囲の準ランダム強度値と区別可能であるように設計されていることを理解しなければならない。さらに、そうした実施形態において、コード空白４３４およびコード要素４３２は、汚染、欠陥およびスケール１１０と読取ヘッド１２６との間隙の静的および動的な変動に関わらず適切に可視であるが、スケール長または面積の小割合部分に多数のビットを付与することによって大きな絶対領域範囲を可能にするために十分に精細であり、結果的に、スケール長または面積のより多くが高分解能の位置決定を増強する準ランダムパターン４１２における情報に充てられ得る。当然、コード区域は相対的に粗くすることができる。しかし、そうした場合、コード部４３０は相対的に大きくなり、読取ヘッド１２６の対応する長さも相対的に増大し、かつ／または、最大絶対領域範囲は与えられた読取ヘッドサイズ内の可読コードビットの低減した数のために相対的に縮小する。

図８に図示された例示的実施形態について、動作時、２次元統合スケール４００の画像が、図８に図示された検出窓４４０に対応してキャプチャされる。種々の例示的実施形態において、コード部４３０における明区域および暗区域は、キャプチャ画像における最大明輝度レベルおよび最大暗輝度レベルにある。そのような最大明輝度レベルおよび最大暗輝度レベルは、所定部分４２０の容易かつ単純な識別を可能にする。キャプチャ画像はその後、検出窓４４０に現れる所定部分４２０のロケーションを識別するために分析される。種々の例示的実施形態において、検出窓４４０に現れている所定部分４２０を位置決定するためにスパースサーチが実行される。すなわち、画像の離間した行が、個々の所定部分４２０の最上部分に現れるコード要素４３２および空白４３４の所定パターンに対応するキャプチャ画像の明部分および暗部分のパターンを位置決定するために探索される。

例えば、種々の例示的実施形態において、検出窓４４０におけるキャプチャ画像の頂部からのコード区域高さのほぼ半分である行が、初期探索行として選定される。所定部分４２０のコード区域がキャプチャ画像における第２の測定軸１１２に沿って約１０ピクセル延在する種々の例示的実施形態において、キャプチャ画像の頂部からのこの距離は５ピクセルである。この例示的実施形態において、初期行は、それが約１０ピクセル離間して一連の遷移を含むかどうかを決定するために分析される。１０ピクセルの間隔は、所定部分４２０のコード区域もキャプチャ画像において第１の測定軸１１１に沿って約１０ピクセル延在することから選定される。

初期行が約１０ピクセル離間して一連の遷移を含まない場合、検出窓４４０の下方に動いて５行目ごとが、約１０ピクセル離間して一連の遷移を有する行が位置決定されるまで、順番に選定され分析される。種々の例示的実施形態において、限られた数の隣り合う行もまた、一連の遷移の近傍で、コード要素の少なくとも１行の上側および下側の境界を決定し、その結果、コード要素の中央とほぼ位置合わせされるピクセルの中心行を決定するために、分析され得る。画像における他の行または既知のフィーチャーロケーションへジャンプする以降の処理は、そのようなジャンプをこの中央に位置決定されたピクセル行に参照することによって頑強かつ／または単純にすることができる。

種々の例示的実施形態において、所定部分４２０を含む行のロケーションの付加的な分析が、位置決定された所定部分４２０および対応するコード部４３０が検出窓４４０内に完全に存在することを保証するために実行され得ることを理解しなければならない。一般に、その処理は、検出窓４４０の外側に延在する部分を各々が有する２つのコード部４３０の部分を使用するよりもむしろ、検出窓４４０内に完全に存在する単一のコード部４３０が使用される場合に単純化される。

種々の例示的実施形態において、検出窓４４０内に完全に存在する単一のコード部４３０が使用されることを保証するために、所定部分４２０を明らかに含む行がいったん位置決定されると、位置決定された行と検出窓４４０の頂部との間の行数が１対のしきい値と比較される。行数が第１のしきい値より大きいが第２のしきい値より小さければ、位置決定された所定部分４２０および対応するコード部４３０は完全に検出窓４４０内にある。

しかし、行数が第１のしきい値より小さければ、所定部分を含んでいる行であると思われるものは、そうではなくコード部の「一致する」コードを通って延びる行であり得る。この場合、位置決定された行の下方の所定の数の行にある行が、さらなる分析のために選定される。

位置決定された行の下方の所定の数の行にある新しい行から始まり、５行目ごとが、上述の通り、第２の所定部分４２０を含んでいる第２の行を見つけるために分析される。第２の行は、所定の数の値により「実際の」第２の所定部分４２０を含むことは確実である。この行もまた第２のしきい値を超えていれば、第２の所定部分４２０は「満足な」ものであり、対応するコード部４３０は完全に検出窓４４０内にあることは確実である。そうでなければ、第１の見かけの所定部分４２０は、実際の満足な所定部分４２０の近傍にあり、対応するコード部４３０は完全に検出窓４４０内にあることは確実である。

上述の技法の代わりに、所定部分４２０を位置決定するためのいずれかの他の適格な技法が所定部分４２０を位置決定するために使用され得ることも理解しなければならない。

キャプチャ画像に現れる満足な所定部分４２０を通っている中心行がいったん位置決定されると、コード部４３０は、その位置決定された行において所定の遷移の連続に対して所定の２次元ロケーションで生起することがわかる。所定部分４２０は、満足な「コード位置インジケータ」として機能する。例えば、図８に図示された例示的実施形態において、コード部４３０のコード部は、例えば、所定部分４２０の下方に約１０ピクセルといった小距離で段階的に、また、その右側境界が所定部分４２０の右側境界と位置合わせして、現れるはずである。位置決定された所定部分４２０に隣り合うコード部４３０に現れるコード区域のコード要素４３２および空いた空白に対応する、キャプチャ画像の明部分および暗部分のパターンおよび広がりは、これらのパターンおよび広がりによって規定されるコードワードを抽出するために決定される。

その後、抽出されたコードワードは、ルックアップテーブルへのアドレスエントリとして使用されるかまたは、第１および第２の測定軸１１１および１１２の各々に沿った局所基準４３６のＸおよびＹ絶対位置測定値を決定するために公式の変数として使用されるかのどちらかである。これらの測定値は、第１および第２の測定軸１１１および１１２の各々に沿った２次元スケール１１０に対する検出窓４４０および読取ヘッド１２６のロケーションを、第１および第２の測定軸１１１および１１２の各々に沿って第１分解能まで指示する。個々の測定軸１１１および１１２に沿った第１分解能は、局所基準４３６および／またはコード部４３０のそれぞれ第１および第２の測定軸１１１および１１２に沿った間隔距離ｄ_０およびｄ_１にほぼ対応する。図８に図示された例示的実施形態において、分析されたコード部４３０の近くの検出窓４４０に現れる位置決定された所定部分４２０の与えられたフィーチャーが、局所基準４３６として働く。

代替的に、第１および第２の測定軸のうちの少なくとも一方に沿った２次元統合スケール４００の全範囲がその第１および／または第２の測定軸１１１および／または１１２に沿った対応する間隔距離ｄ_０および／またはｄ_１の２のべき乗倍であれば、コード要素４３２および空白４３４によって規定される二進コードは２つのコードワードに分割することができる。例えば、第１の測定軸１１１に沿った２次元統合スケール４００の広がりは、２^ｎｄ_０となり得る。その場合、第１の測定軸１１１に沿った２次元統合スケール４００の広がりは２^ｍｄ_０未満かまたはそれに等しいはずであり、ここでｎ＋ｍはコード部４３０におけるコード区域の数未満かまたはそれに等しい。

この場合、コードワードのうちの１つは、少なくともｎのコード区域を有する。その結果、いずれかの与えられたコード部４３０について、コードワードの１つは、第１の測定軸１１１に沿った第１分解能絶対位置測定値のための間隔距離ｄ_０の倍数を定義するために使用され得る。同様に、コードワードの他方は、第２の測定軸１１２に沿った第１分解能絶対位置測定値のための間隔距離ｄ_１の倍数を定義する。間隔距離ｄ_０およびｄ_１に対応する倍数を掛けることによって、第１および第２の測定軸１１１および１１２に沿った絶対位置測定値が２つのコードワードから直接得ることができる。

種々の他の例示的実施形態において、２次元統合スケール４００の総面積がコード部４３０において規定されたコードワードの十分な数の可能な値が省略されるのを許すと仮定すれば、この例示的実施形態は、たとえ２次元統合スケール４００の第１および第２の測定軸１１１および１１２に沿ったどちらの広がりも対応する間隔距離ｄ_０およびｄ_１の２のべき乗倍でないとしても使用することができる。

第１の測定軸１１１に沿った絶対位置測定分解能をさらに精緻化するために、検出窓４４０の左辺４４２または右辺４４４に対する局所基準点４３６のロケーションを求めることが便宜的かつ十分である。図８に図示された通り、検出窓４４０の左辺４４２が局所基準点４３６に対する参照点として使用される場合、左辺４４２までの局所基準点４３６のオフセット距離ｄ_２に対応するピクセルの数は、１または数ピクセルの範囲内まで容易に決定される。このピクセル距離は、光検出器１６０の既知の幾何学的特性および読取ヘッド１２６の倍率に基づいて実際のオフセット距離ｄ_２に変換され得る。

同様に、第２の測定軸１１２に沿った絶対位置測定分解能をさらに精緻化するために、検出窓４４０の上辺４４６または底辺４４８に対する局所基準点４３６のロケーションを求めることが便宜的かつ十分である。図８に図示された通り、検出窓４４０の上辺４４６が局所基準点４３６に対する参照点として使用される場合、上辺４４６までの局所基準点４３６のオフセット距離ｄ_３に対応するピクセルの数は、１または数ピクセルの範囲内まで容易に決定される。このピクセル距離は、光検出器１６０の既知の幾何学的特性および読取ヘッド１２６の倍率に基づいて実際のオフセット距離ｄ_３に変換され得る。

オフセット距離ｄ_２およびｄ_３が局所基準４３６のそれぞれコード決定された絶対測定ＸおよびＹ絶対位置測定値に加えられると、それぞれ第１および第２の測定軸１１１および１１２に沿った２次元スケール１１０に対する読取ヘッド１２６の２次元絶対位置は、読取ヘッド１２６の倍率で割られた対応するピクセルピッチの１または数倍にほぼ対応する、第１および第２の測定軸１１１および１１２の各々に沿った第２分解能までわかる。

上述の相対的に低分解能の位置決定操作は、検出窓４４０において使用可能な位置情報のうちの相対的に少数を使用することを理解しなければならない。読取ヘッド１２６と２次元スケール１１０との間の絶対位置測定をさらに精緻化するために、局所的な作製上の不正確さ、欠陥、汚染などの影響がより良好なＳ／Ｎ比およびより正確な位置決定を付与するために均されるように、検出窓４４０におけるより多くの情報を使用することが望ましい。

詳細には、例えば第１および第２の測定軸１１１および１１２について第３分解能測定値を付与する相関操作に関して前述したように、検出窓４４０に存在する準ランダムパターン部４１０において生起し得る１つ以上の準ランダムパターン４１２のうちの少なくともいくつかに起因する情報および／または信号の一部または全部に基づいて位置決定を行うことが望ましい。事実上、その目標は前述のオフセット距離ｄ_２およびｄ_３の推定を精緻化することである。Ｘ軸およびＹ軸における実際のピークまたは谷のオフセット値と、局所基準が確定された参照位置と一致する画像のそれらの予想オフセット値との間の差分は、推定されたオフセット距離ｄ_２およびｄ_３の、そして結果として生じる絶対位置決定の分解能および正確さを精緻化するために使用され得る。具体的には、Ｘ軸およびＹ軸における実際の相関ピークまたは谷のオフセット値と、局所基準がその２次元参照位置と一致する画像のそれらの予想オフセット値との間の差分は、以前に推定されたオフセット距離ｄ_２およびｄ_３に置換するために使用される。

種々の例示的実施形態において、画像における準ランダムパターン４１２の２、３行および／または２、３列といった小部分に基づいて、いくぶん正確さに劣る相関曲線値が決定することができ、そのような値は、第６７１号出願に概説されたように、可能な最善の分解能までピークまたは谷のピクセルオフセット値を識別するためにやはり使用することができ、その正確さはやはり多くの有用な用途に十分である。種々の他の例示的実施形態において、準ランダムパターン４１２の少なくとも４分の１は通常、いずれかの取得された現在画像において途切れのない１ブロックとして現れるので、相関曲線値は、準ランダムパターン４１２のほぼ４分の１に基づいて決定することができ、その正確さは大多数の有用な用途に十分である。そのような実施形態は、現在画像を参照画像に効果的に関連づけるために、現在画像に含まれ得る種々の準ランダムパターン部４１０の間に分布される種々の準ランダムパターン４１２の種々の部分を「再構成」または「再配列」する必要を回避する。

しかし、種々の他の例示的実施形態において、現在画像または参照画像のどちらか一方の準ランダムパターン４１２は、現在画像に含まれた種々の準ランダムパターン部４１０の間に分布された種々の準ランダムなパターン４１２の種々の部分が、現在画像の準ランダムパターン４１２の少なくともその全体を参照画像の準ランダムパターンと効果的に相関づけるために、参照画像に一致するように順序づけられるように、相関信号処理の前またはその間に、効果的に「再構成」または「再配列」され得る。そうした実施形態は、最高に可能なレベルの分解能および正確さを提供する。

いずれにせよ、各測定軸に沿った絶対位置測定を精緻化するには、推定されたオフセット距離ｄ_２およびｄ_３の分解能および正確さを、そして結果として生じる絶対位置決定を高レベルの分解能に精緻化するように前述の操作を実行するために、局所基準４３６がその参照位置と一致する画像の１つ以上の対応する予想オフセット位置に対して、使用される相関の形式に応じて、相関関数の谷またはピークのオフセット位置を決定することが一般に必要であることを理解しなければならない。

相関関数は、現在の取得した画像の選定部分を対応する参照画像と比較することによって生成される。前述のように、以前に推定されたオフセット距離ｄ_２およびｄ_３は数ピクセルほどの範囲内まで正確であるので、これらの距離は、現在画像が２つの画像のパターンを最も近くに位置合わせさせるオフセットを決定するために参照画像に対してディジタル的にシフトされるオフセットまたは空間変換位置の範囲を選定および／または狭めるために使用され得ることを理解しなければならない。相関関数の第１の点は、採り入れられた第６７１号出願に記載されたように、現在画像の選定部分の各ピクセルを参照画像とピクセル単位で比較することによって生成される。相関関数の追加の点は、多数のピクセルの範囲にわたり選定部分を、各点について１ピクセルずつシフトさせることによって生成される。種々の例示的実施形態において、ピクセルの数は１である。種々の例示的実施形態において、シフトはＸ軸および／またはＹ軸に関して実行される。

種々の例示的実施形態において、第１の１次元相関関数は、Ｘ軸およびＹ軸の一方でシフトさせることによって生成される。第１の相関関数は、採り入れられた第６７１号出願および／または、それらの全部の関連した教示について参照によって全体としてここに採り入れられる、米国特許出願第０９／５８４２６４号、第０９／９２１７１１号、第０９／８６０６３６号、第０９／９２１８８９号および第０９／９８７１６２号に開示された技法のいずれかを使用して、相関ピークを求め、そして恐らく、実際のピークオフセット位置を決定するために相関ピークの周辺の点間を補間するために、生成され分析される。これは、検出窓４４０のエッジに対するＸ軸およびＹ軸の一方におけるロケーションを決定する。次に、このロケーションを使用して、第２の１次元相関関数を生成するためにＸ軸およびＹ軸の他方においてシフトが実行される。

種々の例示的実施形態において、第１および第２の測定軸１１１および１１２の第３分解能測定値は、この時点で決定される。この場合、第１および第２の相関関数のピークオフセット位置に基づき、２次元相関関数が、それらのピークオフセット位置に対応するピーク２次元ロケーションおよび、例えば２、３または数画像ピクセルに対応する範囲にわたり、または各方向で、その２次元ピークロケーションの周辺の２つの次元での多数のロケーションについて、決定される。

種々の例示的実施形態において、準ランダムパターンが使用される場合、第１の測定軸に沿った検出器アレイに対する準ランダムパターンのオフセットの推定は、第１の測定軸に沿った局所基準に対する検出器アレイのオフセットを決定する際に使用される。同様に、第２の測定軸に沿った検出器アレイに対する準ランダムパターンのオフセットの推定は、第２の測定軸に沿った局所基準に対する検出器アレイのオフセットを決定する際に使用される。

種々の例示的実施形態において、２次元相関関数がＸ軸およびＹ軸の両方における選定部分のシフトに基づいて生成される。２次元相関関数は、２次元ピークロケーションを得るために分析される。

種々の例示的実施形態において、第１および第２の相関関数のピークオフセット位置は、その２次元ピークロケーションの周辺のほぼ４つの付加的な２次元ロケーションだけが付加的な相関関数を生成するために使用されるように、十分に正確である。種々の例示的実施形態において、これらの４つの付加的なロケーションは、２次元ピークロケーションからそれぞれ、（０，−１）、（−１，０）、（０，１）および（１，０）のシフトを表現する。種々の他の例示的実施形態において、これらの４つの付加的なロケーションは、２次元ピークロケーションからそれぞれ、（−１，−１）、（−１，１）（−１，１）および（１，１）のシフトを表現する。

上述の通り、種々の例示的実施形態において、相関関数は、検出窓４４０に対応するキャプチャ画像を、検出窓４４０に現れている構造に一致させるために選定された参照画像と比較することによって生成される。種々の例示的実施形態において、参照画像は、２次元スケール４１０の準ランダムパターン４１２といった読取ヘッド１２６によって取得された２次元スケール１１０の典型的な準ランダムパターン部の実際の画像とすることができる。代替的に、それは、２次元スケール１１０などを本来生成するために使用される実際のまたは合成の準ランダム画像とすることができる。参照画像に関する唯一の要件は、参照画像が、適切な２次元相関曲線を生成させるために十分なサイズの、２次元スケール１１０に使用される１つ以上の準ランダムパターンに対応する準ランダムパターンを有する、ということである。

読取ヘッド１２６が２次元スケール１１０に対してヨーミスアラインメントを伴い取付けられた場合、２次元スケール１１０からの実際の画像は、２次元スケール１１０の理想的に位置合わせされた参照画像に対して回転されることを理解しなければならない。しかし、一般に、ミスアラインメントに起因するそのような限定された画像回転は、２次元スケール１１０に沿った読取ヘッド１２６の位置に関わらず一貫しているはずである。それゆえ、そのような画像回転は、各位置でほぼ同じであり、従って種々の例示的実施形態において無視され得る誤差を生じるはずである。

種々の他の例示的実施形態において、実際の画像と理想的に位置合わせされた参照画像との間の回転ミスアラインメントの量は、いずれかの周知であるかまたは今後開発される回転相関法などを用いて、較正手順の間に決定される。参照画像または実際の画像はその後、相関操作の正確さおよび位置決定の正確さを増強するために、通常動作の間に生起する信号処理の前またはその間に、位置合わせするように計算によって回転させられる。さらに他の例示的実施形態において、参照画像は、一貫した回転ミスアラインメントを含む実際の画像から導出される。この場合、参照画像は以降の実際の画像と本質的に回転して位置合わせさせられる。

図９は、図５に図示された２次元統合スケールパターン３００’に対応する２次元統合絶対スケール５００の第２の例示的実施形態を例示している。図９に図示された通り、２次元統合スケール５００は、複数の２次元準ランダムパターン部４１０および、測定軸１１１および１１２の両方に沿って配列された複数の２次元コード部５３０を含む。

図９に図示された２次元統合絶対スケール５００の第２の例示的実施形態は、図８に図示された２次元統合絶対スケール４００の第１の例示的実施形態と比べて、同じく複数の領域５１７を含む。各領域５１７において、図８に図示された２次元統合絶対スケール４００の第１の例示的実施形態と同様、別様に存在し得る準ランダムパターン４１２の一部は、省略されている。

すなわち、各領域５１７は、２次元統合絶対スケール３００のこの第２の例示的実施形態において１つ以上の準ランダムパターン４１２のパターンに断絶を形成している。領域５１７は、少なくとも１つの領域５１７が、検出窓４４０内に存在し、検出窓４４０が２次元統合絶対スケール５００の領域のいずれかの場所に位置した時に上辺４４６から底辺４４８まで検出窓４４０の高さ全体にわたり完全に延在することが保証されるように、統合絶対スケール５００の内部に分布されることを理解しなければならない。

図９に図示された２次元統合絶対スケール５００の第２の例示的実施形態はまた、異なる様式の所定部分５２０およびコード部５３０を使用している。詳細には、図９に図示された２次元統合絶対スケール５００の第２の例示的実施形態において、所定部分５２０は、コード部５３０の左側に位置づけられている。

図９に図示された通り、所定部分５２０は領域５１７を横切って延在する。図９はまた、隣り合うコード部に存在し得るコード要素４３２および空白４３４の特定のパターンに関わらず、キャプチャ画像の行に沿って遷移の検出可能なパターンを生じる、所定部分５２０におけるコード要素４３２および空白４３４のパターンの１つの例示的実施形態を例示している。従って、検出窓４４０内の領域５１７のロケーションは検出窓４４０内のキャプチャ画像のいずれかの行に容易に位置決定され得ることを理解しなければならない。

従って、図９に図示された２次元統合絶対スケール５００のパターンを使用することによって、第１の測定軸１１１すなわちＸ軸に沿った検出窓４４０内の領域５１７のロケーションは、前述の検討に従ってキャプチャ画像のいずれか１行を選定し分析することによってそのように決定され得ることを理解しなければならない。領域５１７のそのロケーションが第１の測定軸１１１に沿っていったん決定されると、領域５１７のピクセルの中心列がわかり、その後、それらのコード要素４３２が領域５１７内の暗ピクセルだけに対応することから、領域５１７内に現れる所定部分の４つの暗コード要素４３２の上辺および底辺のロケーションを決定するために選定され、上方および／または下方に走査され得る。さらに、本発明に従った種々の例示的実施形態において、領域５１７の中心ピクセル行とのそれらの上辺または底辺のどちらか一方のＸＹ交点は、２次元統合絶対スケール４００の第１の例示的実施形態の検討におけるコード位置インジケータおよび局所基準に関して前述した機能を果たすために役立ち得る。従って、図９に図示された２次元統合絶対スケール５００のパターンを使用することは、位置決定操作の特に高速で決定論的なシーケンスを可能にすることを理解しなければならない。

前述の通り、局所基準およびコード部４３０または５３０は各々、所定部分と所定の関係を有する。従って、所定部分４２０または５２０の２次元ロケーションがいったん決定されると、第１および第２の測定軸１１１および１１２の、それゆえ第２分解能距離ｄ_２およびｄ_３の各々に沿った局所基準４３６のロケーションは、容易に決定され得る。同様に、コード部４３０または５３０のコード部は、そのコード部４３０または５３０に現れるバイナリ値を決定するために容易に位置決定され分析され得る。上述の決定論的操作は、２次元スケール１１０に対する検出窓４４０の、それゆえ読取ヘッド１２６の２次元絶対位置を、前述のように、第３分解能２次元絶対位置を高速で決定する上でも助けとなる特に高速で第２分解能まで決定するために、このように使用され得る。

図１０は、図５に図示された２次元統合スケールパターン３００’に対応する２次元統合絶対スケールパターンの第３の例示的実施形態の２次元部分を例示している。図１０に図示された通り、２次元統合スケール６００は、複数の２次元準ランダムパターン部４１０および、測定軸１１１および１１２の両方に沿って配列された複数の２次元コード部６３０を含む。さらに、図１０に図示された２次元統合絶対スケール６００の第３の例示的実施形態はまた、第２の例示的実施形態５００に関して前述したように、複数の領域５１７も含む。図１０に図示された２次元統合絶対スケール６００の第３の例示的実施形態もまた、異なる様式のコード部６３０を使用し、所定部分６２０はコード部６３０の左側に位置づけられている。コード部６３０および所定部分６２０は、コード部５３０および所定部分５２０について前述したように機能し、２次元統合絶対スケール６００の画像におけるコード部および局所基準の高速ロケーションを可能にする働きをする。

図１０に図示された通り、複数の２次元コード部６３０は、測定軸１１１に沿って延在する相対的に狭い領域として構成されている。代替的に、種々の他の例示的実施形態において、コード部６３０のコード要素は、測定軸１１２に沿って、また他の実施形態では測定軸１１１および１１２の各々に沿って延在する、相対的に狭い領域に分布されている。種々の例示的実施形態において、コード部６３０のそうした相対的に狭い構成は、コード部６３０および、典型的な取得した現在画像における準ランダムパターンの生成された大きな途切れのないブロックのより容易な復号を付与し、それは種々の例示的実施形態における相関分析操作を単純化または増強する。

採り入れられた第６７１号出願は、本発明に従った種々の方法およびシステムにおいて使用可能である１つの例示的な単軸相関技法を開示している。その相関技法を図１１に関してここで概説する。図１１は、相関関数７００の形態の第１の画像および第２の画像を、第１および第２の測定軸１１１および１１２に対応する方向の（どちらか）一方に沿って比較する結果を例示している。絶対差分が以下の相関関数において使用される。

ここで、
ｐは、ピクセル単位の現在オフセット値である。
Ｒ（ｐ）は、現在オフセット値に関する相関関数値である。
ｑは、現在行（列）である。
ｍは、現在行（列）に関する現在ピクセルである。
Ｉ_１は、第１の画像における現在ピクセルに関する画像値である。
Ｉ_２は、第２の画像における現在ピクセルに関する画像値である。

図１１に図示された通り、相関関数７００は、距離７０８によって指示される、ピクセルピッチＰに対応する所定のオフセット増分だけｘ軸（またはｙ軸）に沿って分離されている複数の離散的な相関関数値点７０１を含む。

各相関関数値点７０１は、第１の画像に対して第２の画像をシフトさせることによって生成される。相関関数値が任意の単位で表示された図１１の相関関数７００は、第１および第２の画像の各々における画像または強度パターンが最善に位置合わせするオフセット値における真の連続相関関数７０５の極値を呈示する。

ここで、真の連続相関関数の極値に関係するピクセルにおけるオフセット値は、基になる相関関数がピークまたは谷を生じるかに関わらず、ピークオフセットと呼ばれ、ピークオフセットに対応する表面変位は、基になる相関関数がピークまたは谷を生じるかに関わらず、ピーク変位または単に変位と呼ばれる。

図１１において、真の連続相関関数７０５の極値はピークオフセットで生じる。真の連続相関関数７０５の極値は、極限相関関数値点７０４と区別できない。しかし一般に、極値は、ピクセル間隔の整数倍であるオフセットでは生じず、従って、極限相関関数値点と厳密には一致しない。

第６７１号出願に開示されたシステムおよび方法は、種々の例示的実施形態において、相関関数値点７０１の選定された集合から、実際のピークオフセットまたはピーク変位のｘ座標値（またはｙ座標値）を推定するために使用される。実際のまたは真のピークオフセットまたはピーク変位のｘ座標値（またはｙ座標値）は、Ｒ軸と平行に延び、真の連続相関関数７０５の極値である点を含んでいる直線７０３によって指示される。真の連続相関関数７０５が領域７０２において対称であると仮定すれば、直線７０３の任意の点は、真の連続相関関数７０５のピークオフセットまたはピーク変位のｘ座標値（またはｙ座標値）をサブピクセル精度で示している。直線７０３上に位置する点のｘ座標値をサブピクセル精度で求めるための多数の方法が第６７１号出願に開示されている。

一般に、ノイズレベルまたは平均値７０６とは著しく異なる値を有する離散的な相関関数値点７０１だけが、本発明のシステムおよび方法において使用される。すなわち、領域７０２内にある相関関数値点だけが使用される。前述のように、推定された第２分解能のオフセット距離ｄ_２およびｄ_３は２、３ピクセルの範囲内で正確であるので、これらの距離は、複数の離散的な相関関数値点７０１が決定される必要があるオフセットまたは空間変換位置の範囲を選定および／または狭めるために使用され得ることを理解しなければならない。直線７０７によって指示される極限相関関数値点の相関関数値は、いくつかの例示的実施形態において、相関関数値点が正規化された値域に従って選定され得るように、領域７０２の相関関数値点値を正規化するためにノイズレベルまたは平均値７０６の値とともに使用され得る。いずれの場合も、この相関技法または、他のいずれかの現在周知であるかまたは今後開発される相関技法、パターンマッチング技法、テンプレートマッチング技法などが、本発明の原理に従って高精度の第３分解能２次元絶対位置測定を付与するために使用され得る。本発明の原理に従って使用可能な他の１次元および２次元相関関数および方法は、採り入れられた第７１１号出願に記載されている。

図１２は、本発明に従って読取ヘッドと２次元スケールとの間で高分解能２次元絶対位置測定値を決定する方法の１つの例示的実施形態を概説している。ステップＳ１００で開始し、方法の操作はステップＳ２００に続き、そこで、２次元スケールの一部の画像が得られる。当然、２次元スケールの部分のその画像は、本発明の原理に従った１つ以上の準ランダムパターン部の少なくとも一部および１つ以上のコード部の等価物の画像を含む必要がある。その後、ステップＳ３００で、満足なコード位置インジケータおよび局所基準のロケーションがその画像で決定される。操作はその後ステップＳ４００に続く。

ステップＳ４００において、満足なコード位置インジケータに基づき、ステップＳ２００で得られた２次元スケールの部分の画像に現れるコード部情報またはコード部のデータに対応するピクセルロケーションの範囲が決定または位置決定される。次にステップＳ５００では、読取ヘッドと２次元スケールとの間の第１分解能２次元絶対位置が、決定または位置決定されたコード部に対応するアドレスまたはピクセルロケーションの範囲に含まれる情報に基づいて決定される。操作はその後、ステップＳ６００に続く。

ステップＳ６００で、読取ヘッドとスケールとの間の第２分解能２次元位置が、得られた画像の中に現れる識別されたコード部に関係する局所基準のロケーションに基づいて決定される。種々の例示的実施形態において、局所基準は、識別されたコード部に隣り合う得られた画像の準ランダムパターンの範囲内に現れるかまたは生じ得ることを理解しなければならない。対照的に、種々の他の例示的実施形態では、局所基準は識別されたコード部の範囲内に現れる。操作はその後ステップＳ７００に続く。

上述の通り、ステップＳ６００は随意選択である。このステップは、相関関数値および／または相関曲線が検出窓３４０に対する２次元スケール１１０の投射された画像のロケーションをサブピクセル分解能まで直接決定するように生成される場合、省略することができる。

ステップＳ６００に関して、第２分解能の位置は、関連する信号処理操作において暗黙的である局所基準の参照位置に対して、得られた画像における局所基準のロケーションを決定することによって決定され得ることを理解しなければならない。前述の形式の局所基準のいずれも使用することができる。どのようなフィーチャーまたは特性が局所基準を規定するために使用されるかに関わらず、種々の例示的実施形態において、局所基準の参照位置が得られた画像のエッジである場合、得られた画像のエッジまでの局所基準の距離は、測定軸の各々に沿って、局所基準を規定しているフィーチャーと得られた画像の対応するエッジとの間のその測定軸に沿ったピクセルの数をカウントすることによって決定される。しかし、局所基準フィーチャーのピクセル位置には、従って局所基準フィーチャーと得られた画像のエッジとの間の距離ｄ_２およびｄ_３には、２、３ピクセルの程度で、ある程度の不確かさが一般に存在することを理解しなければならない。前述の通り、種々の例示的実施形態において、第２分解能２次元位置は、複数の離散的な相関関数値点が以降のステップＳ７００で決定される必要があるオフセットまたは空間変換位置の範囲を選定および／または狭めるために使用され得る。

ステップＳ７００で、読取ヘッドとスケールとの間の第３分解能２次元絶対位置が、１つ以上の生成された相関曲線に基づいて決定される。種々の例示的実施形態において、読取ヘッドとスケールとの間の第３分解能２次元位置は、ＸおよびＹ準ランダムパターンオフセット位置の高分解能集合に基づく。操作はその後ステップＳ８００に続く。

ステップＳ８００において、読取ヘッドとスケールとの間の少なくとも第１および第３分解能２次元位置が、読取ヘッドと得られた画像に対応する２次元スケールとの間の位置の第３分解能２次元絶対測定値を生成するために結合される。その後、ステップＳ９００で、結合された測定値に基づいて決定されたスケールに対する読取ヘッドの２次元第３分解能絶対位置が出力される。操作はその後ステップＳ１０００に続き、そこで方法の操作は停止する。

図１３は、本発明に従って画像における満足なコード位置インジケータおよび局所基準のロケーションを決定する方法の第１の例示的実施形態をさらに詳細に概説しているフローチャートである。方法のこの第１の例示的実施形態は、図８に図示された２次元スケールパターン３００’の例示的実施形態での使用に特に好適である。図１３に図示された通り、操作はステップＳ３００で開始し、ステップＳ３０５に続き、そこで初期ピクセル行が選定される。その後、ステップＳ３１０において、その選定された行が、所定部分で生起するコード要素および空のコード区域のパターンに対応する遷移の信頼できる一次的連続を含むかどうかの決定がなされる。そうであれば、操作はステップＳ３２０へジャンプする。そうでなければ、操作はステップＳ３１５に続き、そこで、第２の測定軸に沿って所定部分のコード区域のサイズおよび／またはロケーションに基づいて次の行が選定される。操作はその後ステップＳ３１０に戻る。

ステップＳ３２０において、遷移の一次的連続、すなわちステップＳ３１０で選定された一次的な行に関する行数が決定される。種々の例示的実施形態において、遷移の一次的連続のコード要素の中心行が、前述のように、行数として求められ使用される。次に、ステップＳ３２５で、遷移の一次的連続について決定された行数が第１のしきい値より大きいかどうかの決定がなされる。そうであれば、操作はステップＳ３５５へジャンプする。そうでなければ、操作はステップＳ３３０に続き、そこで、一次的な選定された行の下方の所定の数の行であり、かつ画像における次の下位の所定部分より確実に上にある行が、選定される。その後ステップＳ３３５で、その選定された行が所定部分で生起するコード要素および空のコード区域のパターンに対応する遷移の信頼できる二次的連続を含むかどうかの決定がなされる。そうであれば、操作はステップＳ３４５へジャンプする。そうでなければ、操作はステップＳ３４０に続き、そこで、次の行が第２の測定軸に沿って所定部分のコード区域のサイズおよび／またはロケーションに基づいて選定される。操作はその後ステップＳ３３５に戻る。

ステップＳ３４５で、第２の選定された行について決定された行数が第２のしきい値より大きいどうかの決定がなされる。そうであれば、操作はステップＳ３５５へジャンプする。そうでなければ、操作はステップＳ３５０に続き、そこで、遷移の第２の連続のロケーションが満足なコード位置インジケータおよび局所基準として使用される。操作はその後ステップＳ３６０へジャンプする。

対照的に、ステップＳ３５５では、遷移の一次的連続のロケーションが、満足なコード位置インジケータおよび局所基準として使用される。操作はその後ステップＳ３６０に続き、そこで操作はステップＳ４００に戻る。

図１４は、２次元統合絶対スケールに対する読取ヘッドの２次元絶対位置を識別されたコード部に基づき第１の２次元分解能まで決定するためのステップＳ５００の方法の１つの例示的実施形態をより詳細に概説しているフローチャートである。図１４に図示された通り、方法の操作はステップＳ５００で始まり、ステップＳ５１０に続き、そこで、得られた画像におけるコード部のピクセルの多数の行が選定される。その後、ステップＳ５２０で、コード部のコード要素のピクセルの選定された行に基づいて、そのコード部のコード要素のシーケンスが分析される。一般に、これは、選定された１つ以上の行において生じる、相対的な明ピクセルおよび暗ピクセルの、または相対的な明暗ピクセル間の強度遷移のシーケンスを分析することからなる。操作はその後ステップＳ５３０に続く。

ステップＳ５３０で、コード要素の分析されたシーケンスは、第１および第２の測定軸の各々に沿った第１分解能２次元絶対位置測定値を決定するために使用され得る１つ以上のコードワードを決定するために処理される。種々の例示的実施形態において、コード化されたスケールマーキングは、暗ピクセルがバイナリ値の１に対応し、明ピクセルがバイナリ値の他方に対応するバイナリコードワードを規定することを理解しなければならない。当然、三値またはより高次の方式といった非バイナリコーディング方式が使用され得ることも理解しなければならない。

次にステップＳ５４０で、１つ以上のコードワードは、得られた画像におけるスケールの部分および／または２次元位置を、従って読取ヘッドに対する２次元スケールの位置を、第１および第２の測定軸の各々に沿って第１分解能まで指示する、１対の第１分解能２次元絶対位置測定値を決定するために処理される。操作はその後ステップＳ５５０に続き、そこで方法の操作はステップＳ６００に戻る。

種々の例示的実施形態において、１つ以上のコードワードは、１つ以上コードワードをルックアップテーブルへの１つ以上の入力アドレスとして用いて第１分解能の位置測定値に変換されることを理解しなければならない。１つ以上のコードワードによって指示される１つ以上のアドレスに基づくルックアップテーブルの出力は、対応する第１分解能の位置測定値を指示する。対照的に、種々の他の例示的実施形態において、１つ以上のコードワードは、スケールの原点と測定軸の各々に沿ったスケールに対する読取ヘッドの現在位置との間の多数の第１分解能周期ｄ_０およびｄ_１を定義する。このようにして、第１分解能周期ｄ_０およびｄ_１はそれぞれ、コードワードまたは数の値を掛けられて、対応する測定軸に沿った第１分解能距離測定値を得る。種々の他の例示的実施形態において、２つのコードワードの各々は、それ自体が測定軸の一方に沿った第１分解能距離測定値である数を定義する。

図１５は、第３分解能絶対位置を測定するための操作において本発明の原理に従って使用可能であるピークオフセット位置を決定するための単軸法の１つの例示的実施形態をより詳細に概説しているフローチャートである。図１５は、本書の図１１に対応しており、また、採り入れられた第６７１号出願においてより詳細に記載された方法に対応している。ステップＳ７００で開始し、制御はステップＳ７１０に進み、そこで、１組の相関関数値点が現在分析される測定軸１１１および１１２（ｘ軸およびｙ軸）の現在の一方に対応して入力される。これらの点は、以下に限らないが、相関関数のピークまたは谷の近傍の相関関数値点を含み得る。

次にステップＳ７２０で、極限相関関数値点ＣＦＶＰｔｉｐが、相関関数値点の入力集合から識別される。種々の例示的実施形態において、極限相関関数値点ＣＦＶＰｔｉｐは、例えば、その集合における全部の相関関数値点に基づき近似ノイズレベルまたは平均相関関数値を決定してから、その近似ノイズレベルまたは平均相関関数値から最も遠くに相関関数値を有する相関関数値点を決定することによって、識別される。図１１において、近似ノイズレベルまたは平均相関関数値は、直線７０６によって指示される値によって例示される。種々の例示的実施形態において、極限相関関数値点ＣＦＶＰｔｉｐは、図１１において相関関数値点７０４によって例示されている。

その後、ステップＳ７３０で、１対のｘ軸（ｙ軸）相関関数値点部分集合ｓｕｂｓｅｔＬおよびｓｕｂｓｅｔＲが、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点の入力集合から識別される。種々の例示的実施形態において、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点部分集合ｓｕｂｓｅｔＬは、極限相関関数値点ＣＦＶＰｔｉｐの左側にオフセットまたはｘ座標（ｙ座標）値を伴う入力されたｘ軸（ｙ軸）相関関数値点の限定的な部分集合よりなる。種々の例示的実施形態において、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点部分集合ｓｕｂｓｅｔＲは、極限相関関数値点ＣＦＶＰｔｉｐの右側にオフセットまたはｘ座標（ｙ座標）値を伴う入力されたｘ軸（ｙ軸）相関関数値点の限定的な部分集合よりなる。種々の例示的実施形態において、各限定的な部分集合ｓｕｂｓｅｔＬおよびｓｕｂｓｅｔＲのメンバは、適切な側の極限相関関数値点ＣＦＶＰｔｉｐに隣り合う所定の数のｘ軸（ｙ軸）相関関数値点を選定することによって識別され得る。

代替的に、種々の例示的実施形態において、各限定的な部分集合ｓｕｂｓｅｔＬおよびｓｕｂｓｅｔＲのメンバは、極限相関関数値点ＣＦＶＰｔｉｐの適切な側で、極限ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点ＣＦＶＰｔｉｐの値と前述の近似ノイズレベルまたは平均相関関数値との間の所定の正規化範囲において相関関数値を備えるｘ軸（ｙ軸）相関関数値点を選定することによって識別され得る。制御はその後ステップＳ７４０に続く。

ステップＳ７４０において、種々の周知であるか今後開発される方法のうちのいずれかによって、極限相関関数値点ＣＦＶＰｔｉｐが、真のｘ軸（ｙ軸）相関関数の極値の左側かまたは右側に存在するかの決定がなされる。次にステップＳ７５０で、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点ＣＦＶＰｋｅｙが選定される。以後のステップで、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点ＣＦＶＰｋｅｙに対する真の連続ｘ軸（ｙ軸）相関関数の極値またはピークオフセットに関して対称に位置決定されるように意図されている、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点が推定されることになる。種々の例示的実施形態において、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点ＣＦＶＰｋｅｙは、最少のメンバを備える部分集合ｓｕｂｓｅｔＬまたはｓｕｂｓｅｔＲから、またはここに記載された本発明に従ったシステムおよび方法の種々の例示的実施形態において別様に指示または提起された通り、選定される。操作はその後ステップＳ７６０に続く。

ステップＳ７６０において、真の連続ｘ軸（ｙ軸）相関関数は、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点ＣＦＶＰｋｅｙに対する真の連続ｘ軸（ｙ軸）相関関数の極値またはピークオフセットに関して概ね対称に位置決定されている真の連続ｘ軸（ｙ軸）相関関数の一部について特徴づけられるか、または推定される。ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点ＣＦＶＰｋｅｙに対する真の連続ｘ軸（ｙ軸）相関関数の極値またはピークオフセットに関して対称に位置決定されているｘ軸（ｙ軸）相関関数値点を推定するために要求される程度まで真の連続ｘ軸（ｙ軸）相関関数を特徴づける、または推定することが必要とされるにすぎない。真の連続ｘ軸（ｙ軸）相関関数の所要の部分を推定するためのシステムおよび方法の種々の例示的実施形態は、採り入れられた第６７１号出願に開示されている。次にステップＳ７７０において、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点ＣＦＶＰｋｅｙに対する真の連続ｘ軸（ｙ軸）相関関数の極値またはピークオフセットに関して対称に位置決定されるｘ軸（ｙ軸）点の値ｘ_ｅ（ｙ_ｅ）が推定される。ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点ＣＦＶＰｋｅｙに対する真の連続ｘ軸（ｙ軸）相関関数の極値またはピークオフセットに関して対称に位置決定されるｘ軸（ｙ軸）点の値ｘ_ｅ（ｙ_ｅ）を推定するためのシステムおよび方法の種々の例示的実施形態は、採り入れられた第６７１号出願に開示されている。制御はその後ステップＳ７８０に続く。

ステップＳ７８０において、ｘ軸（ｙ軸）ピークオフセット値は、ｘ軸（ｙ軸）相関関数値点ＣＦＶＰｋｅｙの以前に決定された座標値とｘ_ｅ（ｙ_ｅ）との間の対称点または中間点のオフセットまたはｘ座標（ｙ座標）値として推定される。その後ステップＳ７９０で、ｘ軸（ｙ軸）ピークオフセット値は、所定の設計因子に従ってｘ軸（ｙ軸）変位に変換される。次にステップＳ７９６で、以前に決定されたｘ軸（ｙ軸）ピークオフセットまたは変位は、サブピクセル分解能で出力される。最後にステップＳ７９９で、操作はステップＳ８００に戻る。本発明に従った種々の例示的実施形態において、ステップＳ７１０〜Ｓ７９０は分析される測定軸１１１および１１２（ｘ軸およびｙ軸）の各々について並行して反復または実行され、またステップＳ７９６およびＳ７９９はそうした実施形態において両軸について並行して実行されることを理解すべきである。

図１６は、図９および１０に図示された２次元スケールパターン５００および６００の例示的実施形態において特に使用可能である、本発明に従って画像の満足なコード位置インジケータおよび局所基準のロケーションを決定するための方法の第２の例示的実施形態をさらに詳細に概説しているフローチャートである。図１６に図示された通り、方法はステップＳ３００で開始し、得られた画像のいずれかの行が選定されるステップＳ３７０に続く。その後ステップＳ３７５で、選定された行は、一意の所定の遷移パターンかまたは、そのうちの少なくとも１つが画像のすべての行に存在する一意の所定の遷移パターンの集合のいずれかのメンバを生じる領域を位置決定するために分析される。種々の例示的実施形態において、一意の所定の遷移パターンのそのような集合は、隣り合う「見えない」かまたは極限値を有するスケールフィーチャー領域に対応する遷移パターンを含む。次にステップＳ３８０において、位置決定された所定の遷移パターンに基づき、列が位置決定された所定の遷移パターンのロケーションに基づいて選定される。操作はその後ステップＳ３８５に続く。

ステップＳ３８５において、選定された列は、選定された列の分析に基づき確実に位置決定され得る満足なコード位置インジケータおよび局所基準の位置を位置決定するために分析される。次にステップＳ３９０で、局所基準のロケーションは、位置決定された所定部分に関係する局所基準について第１および第２の測定軸の各々に沿った画像における第２分解能のオフセット位置距離ｄ_２およびｄ_３を決定するために分析される。操作はその後ステップＳ３９５に続き、そこで操作はステップＳ４００に戻る。

図１７は、図１に図示された信号生成・処理回路２００の１つの例示的実施形態をより詳細に概説しているブロック図である。図１７に図示された通り、信号生成・処理回路２００は、コントローラ２０５、光源ドライバ２２０、光検出器インタフェース２２５、メモリ２３０、部分位置決定回路２４０、復号回路２５０、距離決定回路２６０、比較回路２７０、比較結果アキュムレータ２７５、補間回路２８０、位置アキュムレータ２９０、ディスプレイドライバ２０１およびオプションの入力インタフェース２０３を含む。

コントローラ２０５は、信号線２０６によって光源ドライバ２２０と、信号線２０７によって光検出器インタフェース２２５と、そして信号線２０８によってメモリ２３０と接続されている。同様に、コントローラ２０５は、それぞれ信号線２０９〜２１５によって、部分位置決定回路２４０、復号回路２５０、距離決定回路２６０、比較回路２７０、比較結果アキュムレータ２７５、補間回路２８０および位置アキュムレータ２９０と接続されている。最後に、コントローラ２０５は、信号線２１６によってディスプレイドライバ２０１と、そして設けられていれば、信号線２１７によって入力インタフェース２０３と接続されている。メモリ２３０は、現在画像部２３２、参照画像部２３４および相関部２３６を含む。

動作時、コントローラ２０５は、信号線２０６によって光源ドライバ２２０に制御信号を出力する。応答して、光源ドライバ２２０は、信号線１３２によって光源１３０に駆動信号を出力する。その後、コントローラ２０５は、信号線２０７および２０８によって光検出器インタフェース２２５およびメモリ２３０に制御信号を出力し、画像素子１６２の各々に対応する光検出器１６０から信号線１６４によって受信した信号成分を現在画像部２３２に記憶する。詳細には、個々の画像素子１６２からの画像値が、アレイ１６６における個々の画像素子１６２の位置に対応する現在画像部２３２の２次元配列に記憶される。

得られた画像または現在画像が現在画像部２３２に記憶された後、現在画像は、信号線２３８によって部分位置決定回路２４０に出力される。その後、信号線２０９によってコントローラ２０５から出力された制御信号に基づいて、部分位置決定回路２４０は、所定部分３２０（または５２０もしくは６２０）および／またはコード部３３０（または５３０もしくは６３０）を位置決定するために、現在画像部２３２に記憶された得られた画像の１つ以上の行および１つ以上の列を分析する。詳細には、２次元スケール１１０において具体化されている図８〜１０に図示された構造の特定の１つに応じて、この分析は、図８〜１０に関して上述した対応する技法を使用し得る。従って、種々の例示的実施形態において、部分位置決定回路２４０は、比較回路２７０および比較結果アキュムレータ２７５とともに動作することができる。その後、信号線２１０によるコントローラ２０５からの制御信号に基づいて、復号回路２５０は、メモリ２３０の現在画像部２３２から、部分位置決定回路２４０によって位置決定された通り、得られた画像内に現れるコード部を入力する。

復号回路２５０はその後、得られた画像の位置決定された部分における明ピクセルおよび暗ピクセルのパターンを１つ以上のコードワードに変換し、その１つ以上のコードワードを、上述の種々の技法のうちの１つを用いて、１対の第１分解能絶対位置測定値に変換する。復号回路２５０は、これらの第１分解能絶対位置測定値を信号線２５２によって位置アキュムレータ２９０に出力する。

次に、部分位置決定回路２４０によって位置決定された所定部分またはコード部に基づいて、コントローラ２０５は、信号線２１１によって制御信号を距離決定回路２６０に出力する。応答して、距離決定回路２６０は、得られた画像のエッジや、メモリ２３０の現在画像部２３２から局所基準のロケーションを決定するために要求される得られた画像の部分といった、局所基準に関する少なくとも参照ロケーションを含む得られた画像の全部または一部を入力する。距離決定回路２６０はその後、得られた画像のこの入力部分を分析して、局所基準の対応する参照位置までの局所基準の距離に基づいて２次元スケールに対する読取ヘッドの２次元位置の第２分解能距離測定値を決定する。距離決定回路２６０は、これらの第２分解能距離測定値を信号線２６２によって位置アキュムレータ２９０に出力する。

その後、コントローラ２０５は、図８〜１１および１５などに関して上述した適切な相関技法を具体化するために比較回路２７０へ信号線２０９で信号を出力する。種々の例示的実施形態において、適切な行および列部分の適切なオフセットに関する種々の１次元相関曲線または相関関数値が決定される。代替的に、種々の例示的実施形態において、適切な行および列部分の適切なオフセットに関する種々の２次元相関関数または相関関数値が決定される。さらに、図８に図示された例示的なスケールに関連する操作に関して上述したように、種々の例示的実施形態において、相関関数値は、図８に関して上述した通り、適切な行および列部分を位置決定するために部分位置決定回路を動作させるコントローラ２０５と連係して、比較回路２７０および比較結果アキュムレータ２７５を動作させるコントローラ２０５によって生成されるはずである。

各々の適切な軸について生成される１つ以上の相関曲線または相関関数値の特定の１つを生成するためのコントローラ２０５からの制御信号に応答して、比較回路２７０は、現在画像部２３２に記憶された現在画像の対応する部分からの特定のピクセルの画像値を信号線２３８によって入力し、現在オフセットに基づき、参照画像部２３４に記憶された適切な参照画像から対応するピクセルの画像値を信号線２３８によって入力する。比較回路２７０はその後、相関アルゴリズムを適用して比較結果を決定する。現在画像部２３２に記憶された現在画像を参照画像部２３４に記憶された参照画像と現在オフセットに基づいてピクセル単位で比較するために、周知であるかまたは今後開発されるあらゆる適切な相関技法が比較回路２７０によって使用され得る。比較回路２７０は、比較結果を信号線２７２で現在相関オフセットのための比較結果アキュムレータ２７５に出力する。

いったん比較回路２７０が、特定の相関曲線または相関関数値に関する現在画像部２３２から画像素子１６２の各々の画像値を抽出および比較し、それらを参照画像部２３４に記憶された対応する画像値と比較し、相関技法を適用して、比較結果を比較結果アキュムレータ２７５に出力すると、比較結果アキュムレータ２７５に記憶された値は、現在の２次元つまりＸまたはＹオフセットに対応する相関値を所定の単位で規定する。コントローラ２０５はその後、信号線２１３によって比較結果アキュムレータ２７５に、そして信号線２０８によってメモリ２３０に信号を出力する。その結果、比較結果アキュムレータ２７５に記憶された相関値結果は、現在の２次元つまりＸまたはＹオフセットに対応するロケーションでメモリ２３０の相関部２３６に出力され記憶される。

コントローラ２０５はその後、結果アキュムレータ２７５をクリアするために信号線２１３で信号を出力する。いったん特定の相関曲線または相関関数値に関して現在画像部２３２に記憶された現在画像と参照画像部２３４に記憶された参照画像との間の所要のオフセットの全部に関する比較の全部が比較回路２７０によって実行され、結果が比較結果アキュムレータ２７５によって蓄積され、コントローラ２０５の制御下に相関部２３６に記憶されると、コントローラ２０５は、信号線２１４によって補間回路２８０に制御信号を、かつ／または信号線２０９によって部分位置決定回路２４０に制御信号を出力する。

比較回路２７０および比較結果アキュムレータ２７５によって生成される２次元相関曲線について、メモリ２３０の相関部２３６に格納された記憶された２次元相関曲線はその後、コントローラ２０５の制御下に補間回路２８０へ出力される。すなわち、補間回路２８０は、２次元相関曲線または相関関数値について相関部２３６に記憶された相関結果を信号線２３８によって入力し、ピークオフセット値または画像変位値をＸおよびＹ方向のサブピクセル分解能で決定するために相関関数のピーク／谷の近傍の相関関数値点のうちの選定したものを用いて補間する。補間回路２８０はその後、コントローラ２０５からの信号線２１４による信号の制御下に、決定されたサブピクセル第３分解能測定値を信号線２８２で位置アキュムレータ２９０に出力する。

補間回路２８０は、採り入れられた第６７１号特許に開示された技法のうちのいずれかといった、いずれかの周知であるかまたは今後開発される技法を使用して、２次元相関関数または相関関数値の選定されたピークの実際のロケーションをサブピクセル分解能まで求める。このサブピクセル分解能増分オフセット情報は、補間回路２８０によって信号線２８２で位置アキュムレータ２９０に出力される。

位置アキュムレータ２９０は、復号回路２５０、距離決定回路２６０および補間回路２８０の各々によって出力された２次元位置または距離測定値を結合して、スケールに対する読取ヘッドの位置を示す第３分解能２次元絶対位置測定値を生成する。位置アキュムレータ２９０は、この２次元絶対位置測定値を信号線２９２によってコントローラ２０５に出力する。コントローラ２０５はその後、決定された絶対位置測定値を信号線２１６によってディスプレイドライバ２０１に出力する。ディスプレイドライバ２０１は、決定された絶対位置測定値を出力するために信号線２０２によって制御信号を出力することによってディスプレイ（図示せず）を駆動する。

応答して、コントローラ２０５は、設けられていれば、ディスプレイドライバ２０１に更新された２次元位置値を信号線２１７によって出力することができる。ディスプレイドライバ２０１はその後、現在変位値を表示するために信号線２０２によって駆動信号をディスプレイ１０７に出力する。

設けられていれば、１つ以上の信号線２０４は、オペレータまたは協働システムとコントローラ２０５との間のインタフェースを可能にする。設けられていれば、入力インタフェース２０３は、入力信号またはコマンドを緩衝または変換し、適切な信号をコントローラ２０５に送信することができる。

以上の検討は、コード部３３０（そして５３０および６３０）の各々が測定軸方向１１２に沿って特徴的な広がりを有しており、準ランダムパターン部３１０の各々が測定軸方向１１２に沿って特徴的な広がりを有するスケール１１０を重視していることを理解しなければならない。しかし、種々の他の実施形態において、その広がりは、１つ以上の準ランダムパターン部３１０および／または１つ以上のコード部３３０の広がりの内部で異なり得る。それにも関わらず、そのような場合、各コード部３３０のコード要素は、たとえ局所基準が必ずしもスケールに沿って周期的に生起するわけではないとしても、局所基準の測定値をやはり指示していなければならない。

上述の例示的実施形態の種々のものにおいて、スケール１１０は平面部材である。しかし、種々の他の例示的実施形態において、スケール１１０は、回転軸を有する円筒形部材であるか、円柱軸を規定する円筒表面の一部を少なくとも規定することを理解しなければならない。この場合、本発明に従った２次元統合スケールパターンは、第１および第２の測定軸１１１および１１２のうちの一方が円柱軸に平行であり、第１および第２の測定軸１１１および１１２の他方が円筒形部材または表面の円周に沿って存在するように円筒形スケール１１０に適用される。このようにして、本発明に従った２次元統合スケールパターン３００は、円筒表面に関して読取ヘッドの絶対位置を確定するために使用され得る。

本発明の種々の例示的実施形態を図示説明したが、多種多様な代替的なコードおよび検出方式がコード部について使用でき、また多種多様な代替的なハードウェアおよびソフトウェア方式が本発明の原理に従って第３分解能測定値を付与するために読取ヘッドに対する準ランダムパターンのロケーションを検出するために適用可能であることも理解しなければならない。また、主に上述の検討において明確で単純な説明のために、種々の操作および特徴がＸ軸およびＹ軸の一方または他方に関して述べられたことも理解しなければならない。しかし、ここでいずれかの軸に関して述べられた種々の操作および特徴は、本発明に従った種々の実施形態において他の軸との種々の組合せにおいてもまったく同様に適用され得る。従って、ここに図示説明された本発明の種々の例示的実施形態には本発明の精神および範囲を逸脱することなく上記および他の種々の変更が行い得ることを理解しなければならない。

本発明に従った２次元光学式位置変換器のブロック図である。 図１に示した２次元光学式位置変換器の１つの例示的実施形態の端面図である。 図１に示した２次元光学式位置変換器の１つの例示的実施形態の側面図である。 本発明に従った拡散反射スケールの１つの例示的実施形態の等角側面図である。 本発明に従った一般的な２次元統合絶対スケールパターンの第１の例示的実施形態を示す図である。 本発明に従った２次元統合絶対スケールパターンで使用可能な、実際のスペックルパターンに基づく例示的な準ランダムパターンを示す図である。 本発明に従った２次元統合絶対スケールパターンで使用可能な、合成のスペックルパターンに基づく例示的な準ランダムパターンを示す図である。 図４に図示された一般的な２次元統合絶対スケールパターンの第１の特定の例示的実施形態の２次元部分を示す図である。 図４に図示された一般的な２次元統合絶対スケールパターンの第２の特定の例示的実施形態の２次元部分を示す図である。 図４に図示された一般的な２次元統合絶対スケールパターンの第３の特定の例示的実施形態の２次元部分を示す図である。 画像が種々のピクセル変位でオフセットされた時に、差分相関関数の絶対値によって第１および第２の画像を比較する結果を例示しているグラフである。 本発明に従った２次元統合絶対スケールに対する読取ヘッドの２次元絶対位置を決定する方法の１つの例示的実施形態を概説しているフローチャートである。 図８に図示された例示的実施形態により使用可能である、本発明に従った満足なコード位置インジケータおよび局所基準を位置決定するための方法の第１の例示的実施形態をより詳細に概説しているフローチャートである。 本発明に従った２次元絶対スケールのコード部のコードに基づき第１分解能まで２次元統合絶対スケールに対する読取ヘッドの２次元絶対位置を決定するための方法の１つの例示的実施形態をより詳細に概説しているフローチャートである。 本発明に従って第３分解能まで２次元統合絶対スケールに対する読取ヘッドの２次元絶対位置を決定するための方法の１つの例示的実施形態をより詳細に概説しているフローチャートである。 図９に図示された例示的実施形態により使用可能である本発明に従った満足なコード位置インジケータおよび局所基準を位置決定するための方法の第２の例示的実施形態をより詳細に概説しているフローチャートである。 本発明に従った２次元統合絶対スケールから２次元絶対位置測定を得るために使用可能な図１の信号生成・処理回路の１つの例示的実施形態をより詳細に概説しているブロック図である。

符号の説明

１００ ２次元光学式絶対位置エンコーダ（２次元絶対位置検出装置の一例）
１１０ ２次元絶対スケール
１１１ 測定軸（第１の測定軸の一例）
１１２ 測定軸（第２の測定軸の一例）
１１３ 基板
１１４ 表面
１１５ 暗パターン要素
１１７ パターン形成材料層
１１８ 拡散バッキング
１１９ 明パターン要素
１２６ 読取ヘッド
１３０ 光源
１３４ ビーム
１３６ ビーム
１４０ レンズ
１４４ 光軸
１５０ アパーチャプレート
１５２ 開口
１５４ 光
１５８ ミラー
１５９ ミラー
１６０ 光検出器
１６２ 画像素子
１６６ ２次元アレイ
３００,３００´ ２次元統合スケールパターン
３１０ ２次元準ランダムパターン部（準ランダムパターン部の一例）
３２０ 所定フィーチャー（所定部分の一例）
３３０ ２次元コード部（コード部の一例）
３４０ 検出窓
４００ ２次元統合絶対スケール（スケールの一例）
４１０ ２次元準ランダムパターン部（準ランダムパターン部の一例）
４１２ 準ランダムパターン
４１４ 第１の寸法
４１６ 第２の寸法
４２０ パターン部分
４３０ ２次元コード部（コード部の一例）
４３２ コード要素
４３４ コード空白
４３６ 局所基準
４３９ コード区域
４４０ 検出窓
４４２ 左辺
４４４ 右辺
４４６ 上辺
４４８ 底辺
５００ ２次元統合絶対スケール
５３０ ２次元コード部
６００ ２次元統合絶対スケール
６３０ ２次元コード部
７００ 相関関数
７０１ 相関関数値点
７０４ 極限相関関数値点
７０５ 連続相関関数

Claims (23)

1. 第２の部材に対する第１の部材の位置を第１および第２の測定軸に沿って測定するために使用可能な２次元絶対位置検出装置であって、
   前記２次元絶対位置検出装置は、読取ヘッドおよびスケールを含み、
   前記スケールは、前記第１および第２の測定軸に沿って延在する２次元統合スケールパターンを含み、
   前記２次元統合スケールパターンは、複数の準ランダムパターン部および複数のコード部を含み、
   各準ランダムパターン部は、前記第１および第２の測定軸に沿って延在し、
   前記複数のコード部は、第１の方向に沿って所定寸法だけ離間され、かつ第２の方向に沿って所定寸法だけ離間され、かつ前記２次元統合スケールパターン内に分布されており、
   各コード部は、少なくとも１つのコードワードを定義する複数のコード要素を含み、
   前記少なくとも１つのコードワードは、前記第１および第２の測定軸の各々に沿って局所基準の測定値を識別するために使用可能であり、
   前記読取ヘッドに含まれかつ前記第１および第２の方向の各々に沿って延在する検出窓が、少なくとも１つのコードワードを定義するのに十分な数のコード要素を含むように、前記複数の準ランダムパターン部および前記複数のコード部は構成されており、
   前記定義された少なくとも１つのコードワードは、前記２次元統合スケールパターン内での前記検出窓の位置に関わらず、前記第１および第２の測定軸に沿って対応する局所基準の前記測定値を識別するために使用可能である、
   ことを特徴とする２次元絶対位置検出装置。
2. 前記複数のコード部のそれぞれの所定部分は、前記複数のコード部のそれぞれと同じパターンを含む、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
3. 前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分は、ａ）ランダムパターン部より大きい単一の準ランダムなランダムパターンの一部、ｂ）ランダムパターン部より小さい複数の類似の準ランダムなランダムパターン、ｃ）ランダムパターン部より小さい複数の異なる準ランダムなランダムパターン、およびｄ）ランダムパターン部と同じサイズである単一の準ランダムパターン全体のうちの１つを含む、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
4. 前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分は、複数の前記準ランダムパターン部と同じパターンを含む、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
5. 前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分は、すべての準ランダムパターン部と同じパターンを含む、請求項４に記載の２次元絶対位置検出装置。
6. 前記２次元統合スケールパターンは、少なくとも１つの拡散反射表面を含む、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
7. 前記スケールは透明基板を含み、前記２次元統合スケールパターンは前記読取ヘッドから最も遠い基板の表面上に設けられており、
   前記少なくとも１つの拡散反射表面は、前記読取ヘッドから最も遠い前記表面上の前記２次元統合スケールパターン上またはその上方に設けられた少なくとも１つの拡散バッキングの少なくとも一部分を含む、請求項６に記載の２次元絶対位置検出装置。
8. 前記少なくとも１つの定義されたコードワードを定義するために十分な数のコード要素を有する第１の部分は、前記検出窓に少なくとも部分的に含まれた前記複数のコード部の第１のコード部に含まれており、前記少なくとも１つの定義されたコードワードを定義するために十分な数のコード要素を有する第２の部分は、前記検出窓に少なくとも部分的に含まれた前記複数のコード部の第２のコード部に含まれている、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
9. 前記読取ヘッドの前記検出窓は、少なくとも１つの完全なコード部を含み、このコード部は、前記２次元統合スケールパターン内の前記検出窓の位置に関わらず、前記少なくとも１つの定義されたコードワードを定義するために十分な数のコード要素を含む、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
10. 前記読取ヘッドは、光源および、前記検出窓と同じ広がりをもつ前記スケールの画像を検出するために使用可能な２次元検出器アレイを含み、
    前記読取ヘッドが前記スケールに対して動作可能に位置決めされた時に、前記２次元統合スケールパターンに沿った前記読取ヘッドの位置に関わらず、前記スケールの検出画像が前記局所基準点として使用可能なフィーチャー(feature)を含むように、複数のコード要素は、前記統合スケールパターンに沿って配列されている、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
11. 前記検出画像は、それぞれ前記第１および第２の測定軸に対応する２方向の各々に沿った局所基準点に対する前記読取ヘッドのオフセットの測定値を決定するために使用可能である、請求項１０に記載の２次元絶対位置検出装置。
12. 個々の少なくとも１つのコードワードは、ルックアップテーブルを参照せずに前記第１および第２の測定軸の各々に沿った局所基準の測定値を決定するために直接使用可能である、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
13. 信号処理装置をさらに含み、動作可能に位置決めされた読取ヘッドが前記スケールの画像を検出した時に、前記信号処理装置は、前記検出画像に含まれた十分な数のコード要素に基づいて、前記第１および第２の測定軸の各々に沿った局所基準の第１分解能絶対測定値を決定するために使用可能である、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
14. 前記信号処理装置はさらに、前記第１および第２の測定軸に対応する２方向の各々に沿った局所基準に対する前記読取ヘッドのオフセットの測定値を、ａ）前記検出画像における局所基準のロケーションおよび、ｂ）前記検出画像における前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分のロケーションのうちの少なくとも１つに基づいて決定するために使用可能であり、
    前記局所基準点に対する前記読取ヘッドのオフセットの測定値は、前記第１および第２の測定軸の各々に沿った前記第１分解能絶対測定値より精細な測定分解能を有する、請求項１３に記載の２次元絶対位置検出装置。
15. 前記信号処理装置はさらに、前記第１分解能絶対位置測定値より精細な測定分解能により前記第１の測定軸に沿った絶対位置測定値を決定するために、前記第１の測定軸に沿った前記局所基準点の前記第１分解能絶対測定値と前記第１の測定軸に沿った前記局所基準点に対する前記読取ヘッドのオフセットの測定値とを結合するために使用可能である、請求項１４に記載の２次元絶対位置検出装置。
16. 前記信号処理装置はさらに、前記第１分解能絶対位置測定値より精細な測定分解能により前記第２の測定軸に沿った絶対位置測定値を決定するために、前記第２の測定軸に沿った前記局所基準点の前記第１分解能絶対測定値と前記第２の測定軸に沿った前記局所基準点に対する前記読取ヘッドのオフセットの測定値とを結合するために使用可能である、請求項１５に記載の２次元絶対位置検出装置。
17. 前記信号処理装置は、前記第１および第２の測定軸に対応する２方向の各々に沿った前記局所基準に対する前記読取ヘッドのオフセットの測定値を決定するために、その少なくとも１つの参照画像表現が、前記検出画像における前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分と相関可能であるように、少なくとも１つの参照画像表現を形成するために使用可能なデータを含む記憶部を含む、請求項１４に記載の２次元絶対位置検出装置。
18. 前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分は、真のランダムパターンに基づく少なくとも一部分を含む、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
19. 前記真のランダムパターンはスペックルパターンを含む、請求項１８に記載の２次元絶対位置検出装置。
20. 前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分は、合成的に生成されたランダムパターンに基づく少なくとも一部分を含む、請求項１に記載の２次元絶対位置検出装置。
21. ２次元絶対スケールに沿って２次元検出器アレイの高分解能絶対位置を決定する方法であって、前記２次元絶対スケールは第１および第２の測定軸に沿って延在する２次元統合スケールパターンを備えており、
    前記２次元統合スケールパターンは、複数の準ランダムパターン部を含み、各準ランダムパターン部は、前記第１および第２の測定軸に沿って延在し、
    前記２次元統合スケールパターンは、第１の方向に沿って所定寸法だけ離間され、かつ第２の方向に沿って所定寸法だけ離間され、かつ前記２次元統合スケールパターン内に分布された複数のコード群を含み、各コード群は、少なくとも１つのコードワードを定義する複数のコード要素を含み、前記少なくとも１つのコードワードは、前記第１および第２の測定軸の各々に沿って局所基準の測定値を識別するために使用可能であり、
    前記方法は、
    現在位置に対応する前記２次元統合スケールパターンの一部分の画像を、前記検出器アレイを用いて検出することと、
    前記第１および第２の測定軸の各々に沿った局所基準の絶対測定値を、前記検出画像に含まれる少なくとも１つのコード群に基づいて決定することと、
    前記第１および第２の測定軸の各々に沿った前記局所基準に対する前記検出器アレイのオフセットの測定値を、ａ）前記検出画像における前記局所基準のロケーションおよび、ｂ）前記検出画像における前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分のロケーションのうちの少なくとも１つに基づいて決定することと、
    前記２次元絶対スケールの前記第１および第２の測定軸に沿って前記検出器アレイの高分解能絶対位置を決定するために、前記第１および第２の測定軸の各々に沿った前記局所基準の前記絶対測定値と、前記第１および第２の測定軸の各々に沿った前記局所基準に対する前記検出器アレイの前記オフセットの測定値と、を結合することとを含む、
    ことを特徴とする２次元絶対位置検出方法。
22. 各コード群は所定部分を含んでおり、
    少なくとも１つのコード群に基づき前記第１および第２の測定軸の各々に沿って前記局所基準の前記絶対測定値を決定することは、
    前記少なくとも１つのコード群のうちの少なくとも１つに含まれた前記所定部分のロケーションを決定することと、
    前記所定部分の決定したロケーションに基づいて、前記検出画像における前記コード要素のロケーションを決定することと、
    前記検出画像に現れる前記コード要素のコード要素値を決定するために、前記コード要素のロケーションに対応する前記検出画像を処理することとを含み、
    前記局所基準の前記測定値を決定することは、
    前記決定されたコード要素値に基づき前記第１および第２の測定軸の各々に沿って前記局所基準の前記測定値を決定することを含む、請求項２１に記載の２次元絶対位置検出方法。
23. 前記検出器アレイは、前記第１の測定軸方向に対応する方向に沿って少なくとも１行に延びる複数の検出器素子を含み、前記検出器素子は検出器素子の第１のピッチに従って少なくとも１行に沿って離間されており、
    前記検出器アレイは、前記第２の測定軸方向に対応する方向に沿って少なくとも１列に延びる複数の検出器素子を含み、前記検出器素子は検出器素子の第２のピッチに従って少なくとも１列に沿って離間されており、
    前記第１および第２の測定軸の各々に沿って前記局所基準に対する前記検出器アレイの前記オフセットの前記測定値を決定することは、
    前記第１の測定軸方向に沿って前記検出器アレイに対する局所基準特性のオフセットを推定することと、
    前記検出画像において前記検出器素子の第１ピッチと少なくとも同程度に精細である分解能まで、前記第１の測定軸方向に沿った前記検出器アレイに対する前記検出画像の少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分のオフセットを推定することと、
    前記第２の測定軸方向に沿って前記検出器アレイに対する局所基準特性のオフセットを推定することと、
    前記検出画像において前記検出器素子の第２ピッチと少なくとも同程度に精細である分解能まで、前記第２の測定軸方向に沿った前記検出器アレイに対する前記検出画像の少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分のオフセットを推定することと、
    前記第１の測定軸に沿った前記検出器アレイに対する前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分の前記オフセットの推定に少なくとも基づいて、前記第１の測定軸に沿った前記局所基準に対する前記検出器アレイのオフセットの測定値を決定することと、
    前記第２の測定軸に沿った前記検出器アレイに対する前記少なくとも１つの準ランダムパターンの少なくとも一部分の前記オフセットの推定に少なくとも基づいて、前記第２の測定軸に沿った前記局所基準に対する前記検出器アレイのオフセットの測定値を決定することとを含む、請求項２１に記載の２次元絶対位置検出方法。